JPH09265893A

JPH09265893A - 電子放出素子と電子源及び画像形成装置と電子放出素子の製法

Info

Publication number: JPH09265893A
Application number: JP7802396A
Authority: JP
Inventors: Toru Den; 透田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1997-10-07

Abstract

(57)【要約】【課題】電子放出素子で、通電フォーミングでなくて
も十分な放出電流が得られ、放出電流のバラツキが少な
く、画像形成装置で安定で、十分な電子放出量のある高
性能とすることを課題とする。【解決手段】電子放出素子特に表面伝導型電子放出素
子において、少なくとも導電性薄膜の一部にダイヤモン
ドを主成分とする微粒子を有し、前記導電性薄膜とダイ
ヤモンド微粒子との界面に金属炭化物、グラファイト、
或いは非晶質カーボンのいずれかが存在して接合部をな
すことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面伝導型電子放
出素子、この表面伝導型電子放出素子を用いた電子源、
該電子源を用いた画像形成装置及び該電子放出素子の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子放出素子としては大別し
て熱電子放出素子と冷陰極電子放出素子を用いた２種類
のものが知られている。冷陰極電子放出素子には電界放
出型（以下、「ＦＥ型」という）、金属／絶縁層／金属
型（以下、「ＭＩＭ型」という）や表面伝導型電子放出
素子（以下、「ＳＣＥ型」ともいう）等がある。

【０００３】ＦＥ型の例としてはW. P. Dyke & W.W. Do
lan, "Field emission"、Advance inElectron Physics,
8(1956)89 あるいはC.A.Spindt,"Physical Properties
ofthin-film field emission cathodes with molybden
um cones", J.Appl.Phys.,47(1976)5248等に開示された
ものが知られている。

【０００４】また、ＭＩＭ型の例としてはC.A. Mead, "
Operation of Tunnel-Emission Devices", J. Appl. Ph
ys., 32(1961)646等に開示されたものが知られている。

【０００５】更に、表面伝導型電子放出素子型の例とし
てはM.I. Elinson, Radio Eng. Electron Phys., 10(19
65)1290等に開示されたものがある。

【０００６】この表面伝導型電子放出素子は、基板上に
形成された小面積の薄膜に、膜面に平行に電流を流すこ
とにより、電子放出が生ずる現象を利用するものであ
る。この表面伝導型電子放出素子としては、前記M.I.El
inson等によるＳｎＯ₂薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によ
るもの[G. Dittmer "Thin Solid Films", 9(1972)31
7]、Ｉｎ₂Ｏ₃／ＳｎＯ₂薄膜によるもの[M. Hartwell an
d C.G. Fonstad, "IEEE Trans. ED Conf."519(1975)]、
カーボン薄膜によるもの［荒木久他：真空、第２６
巻、第１号、２２頁（１９８３）］等が報告されてい
る。

【０００７】これらの表面伝導型電子放出素子の典型的
な例として前述のM. Hartwellの素子構成を図２に模式
的平面図に示す。同図において、１は基板である。４〜
５は導電性薄膜で、Ｈ型形状のパターンに、スパッタで
形成された金属酸化物薄膜等からなり、後述の通電フォ
ーミングと呼ばれる通電処理により電子放出部６が形成
される。尚、図中の電子放出素子の例として電極間隔
Ｌ’は０.５〜１ｍｍ、Ｗは０.１ｍｍで設定されてい
る。

【０００８】従来、これらの表面伝導型電子放出素子に
おいては、電子放出を行う前に導電性薄膜４、５に予め
通電フォーミングと呼ばれる通電処理によって電子放出
部６を形成するのが一般的であった。即ち、通電フォー
ミングとは前記導電性薄膜４、５の両端に直流電圧ある
いは非常にゆっくりとした昇電圧例えば１Ｖ／min程度
を印加通電し、導電性薄膜を局所的に破壊、変形もしく
は変質せしめ、電気的に高抵抗な状態にした電子放出部
６を形成することである。尚、電子放出部６は導電性薄
膜４、５の一部に亀裂が発生し、その亀裂付近から電子
放出が行われる。前記通電フォーミング処理をした表面
伝導型電子放出素子は、上述導電性薄膜４、５に電圧を
印加し、素子に電流を流すことにより上述電子放出部６
より電子を放出せしめるものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
電子放出素子において、真空中での動作時において、真
空中に残存する種々のガスの電子放出素子への作用によ
るノイズ、長時間駆動を行った時の放出電流の減少（劣
化）、放出電流値の大きさおよび効率等の問題があっ
た。

【００１０】本発明は、これら、電子放出素子の問題を
解決し、動作駆動時に、安定で、十分な電子放出量のあ
る高効率、高性能の電子放出素子および電子源の提供を
目的とする。また、電子源と画像形成部材からなる画像
形成装置においては、安定で、十分な電子放出量のある
高性能の電子放出素子および電子源を用いることで、明
るく、安定な画像形成装置、たとえば、フラットテレビ
の提供を目的とする。また、上記の特性を有する素子の
作製方法の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決すための手段】本発明は、上述した課題を
解決するために鋭意検討をおこなってなされたものであ
り、下述の構成のもである。

【００１２】すなわち、本発明の電子放出素子及び表面
伝導型電子放出素子は、基体上に形成された対向する一
対の素子電極と導電性薄膜および電子放出部からなる構
成において、少なくとも電子放出部にダイヤモンドを主
成分とする微粒子を有しており、且つ該ダイヤモンド微
粒子と導電性薄膜の界面に金属性炭化物、もしくはグラ
ファイト、および非晶質カーボンのいずれかが接合され
ていることを特徴とするものである。

【００１３】さらに、好ましくは該ダイヤモンド微粒子
と導電性薄膜の界面に結合している材料もしくは導電性
薄膜自身の仕事関数が４.６ｅＶ以下であることを特徴
とするもの、また導電性薄膜にＴｉが含まれていること
を特徴とする電子放出素子である。

【００１４】また、本発明の電子源は、入力信号に応じ
て電子を放出する電子源であって、本発明の表面伝導型
電子放出素子を、基体上に、複数個配置することを特徴
とするもであって、好ましくは、基体に、複数の電子放
出素子を複数個並列に配置し、個々の素子の両端を配線
に接続した電子放出素子の行を複数もち、更に、変調手
段を有することを特徴とするするものである。さらに、
好ましくは、基体に、互いに、電気的に、絶縁されたｍ
本のＸ方向配線とｎ本のＹ方向配線とに、該電子放出素
子の一対の素子電極とを接続した電子放出素子を複数個
配列したことを特徴とするもである。

【００１５】さらに、本発明の画像形成装置は、入力信
号に応じて画像を形成する画像形成装置であって、本発
明の電子源と画像形成部材を有することを特徴とするも
のである。この際画像形成部に蛍光体を用いることが多
い。

【００１６】また、本発明は、表面伝導型電子放出素子
の製造方法をも包含する。

【００１７】加えて、本発明の表面伝導型電子放出素子
の製造方法において、ダイヤモンド微粒子をダイヤモン
ドＣＶＤなどの成膜ではなくダイヤモンド微粒子を分散
させることにより作製することが簡便であり、またダイ
ヤモンドと導電性薄膜を結合させる工程を有することが
有効である。また、ダイヤモンド表面処理工程を行うの
も好ましい。

【００１８】このダイヤモンド微粒子の分散膜形成工程
としてはスプレー法やスピンコート法のようにダイヤモ
ンドが基板上に薄く分散される方法であればいずれでも
かまわないが、例えばダイヤモンド微粒子の分散液中で
の引き上げ工程であり、この際、超音波処理を並行する
のが良い。この超音波処理は凝集したダイヤモンドの付
着を防止するのに効果がある。また、ダイヤモンド膜を
基板上の特定の箇所に付着させたい場合はポリビニルア
ルコールなどの高分子と重クロム酸塩などを用いてシャ
ドウマスクの上から水銀灯などで露光する方法が有効で
ある。

【００１９】また、ダイヤモンドと導電性薄膜を結合さ
せる工程には電磁波照射を行うのが好ましく、レーザー
アニールや赤外線アニールが挙げられる。勿論ダイヤモ
ンド微粒子を分散させた後から導電性薄膜を成膜するだ
けで接合が得られる場合もある。さらにダイヤモンドの
表面にあらがじめ金属性炭化物、もしくはグラファイ
ト、および非晶質カーボンのいずれかが結合しているダ
イヤモンド微粒子を用いることによりこのアニール工程
の条件を緩和、もしくは削除すことができる。また、ダ
イヤモンド表面処理工程には水素分圧１０^-6パスカル以
上の水素雰囲気中でのアニールや水素分圧１０^-7パスカ
ル以上、１０^-2パスカル以下の水素雰囲気中での素子に
特定の電圧を印加する初期駆動が有効である。また、ダ
イヤモンド微粒子層の表面を水素プラズマ処理すること
も有効である。

【００２０】本発明の表面伝導型電子放出素子および製
法によって、負の電子親和力あるいは低仕事関数のダイ
ヤモンドを主成分とする微粒子を有しているので、同じ
駆動電圧でも大きな放出電流が得られ、さらにはダイヤ
モンド表面が化学的に安定であるため、動作駆動時の放
出電流のノイズ、および劣化による放出電流の減少を抑
制することができる。

【００２１】また本発明の電子源によれば、入力信号に
応じて、複数個配置された電子放出素子から、任意の電
子放出素子の電子放出素子を制御できる。

【００２２】また本発明の画像形成装置によれば、大き
な放出電流、動作駆動時の放出電流のバラツキやノイ
ズ、および劣化による電流減少の少ない本発明の電子放
出素子を任意な面状に複数個配置することで、入力信号
に応じて、複数個配置された電子放出素子から、任意の
電子放出素子の電子放出素子を制御しうるので、明る
く、安定なフラットカラーテレビが、提供できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。

【００２４】本発明を適用し得る表面伝導型電子放出素
子の基本的構成には大別して、平面型及び垂直型の２つ
がある。

【００２５】『平面型素子』まず、平面型表面伝導型電
子放出素子について図１、図３を用いて説明する。図
１、図３は、本発明の表面伝導型電子放出素子の例を示
す模式図である。図１は、本発明の平面型表面伝導型電
子放出素子の構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平
面図、図１（ｂ）は断面図である。

【００２６】図１において、１は基体である基板、２と
３は素子電極、４と５は導電性薄膜、６は電子放出部で
ある。図３は、電子放出部６を部分的に拡大した模式図
である。

【００２７】本発明の第１の特徴は、図３（ａ）〜
（ｃ）に示される様に、導電性薄膜４、５が、ダイヤモ
ンドを主成分とする微粒子を有しており、且つダイヤモ
ンド微粒子と導電性薄膜の界面の一部に金属性炭化物、
もしくはグラファイト、および非晶質カーボンのいずれ
かが結合しているものである。

【００２８】ダイヤモンドを主成分とする微粒子は、図
３（ａ）に示される様に導電性薄膜４の上に被膜として
形成されているか。もしくは図３（ｂ）に示される様
に、導電性薄膜４、５の下地配置してもよい。また、図
３（ｃ）に示される様に、導電性薄膜４、５の中にダイ
ヤモンドを主成分とする微粒子が形成されてもよい。

【００２９】電子放出部６は、導電性薄膜４、５の一部
に形成された亀裂部６およびその近傍であり、素子特性
は導電性薄膜４、５の膜厚、膜質、材料及び亀裂幅、ダ
イヤモンドを主成分とする微粒子の特性や駆動電圧に依
存したものとなる。

【００３０】ここで言うダイヤモンドを主成分とする微
粒子とは、天然ダイヤモンド微粒子、人工合成ダイヤモ
ンド微粒子を主体とする微粒子である。ダイヤモンドを
主成分とする微粒子は、部分的に｛１１１｝面、も
しくは｛１００｝面を有しているのが好ましい。こ
れは、ダイヤモンド結晶の｛１１１｝面もしくは
｛１００｝面は、電子親和力が小さく良好な電子放
出特性を示すことによる。また、その粒子径は、１０μ
ｍ以下、好ましくは、１μｍ以下、最適には、０.５μ
ｍ以下である。これは、微細なダイヤモンド粒子の方
が、電子放出特性に優れるためである。そのダイヤモン
ド微粒子の存在密度は、特に、電子放出部６近傍の導電
性薄膜４、５において、１０⁶個／ｃｍ²以上、好ましく
は、１０⁸個／ｃｍ²以上である。

【００３１】また、金属性炭化物とはＴｉＣや、Ｎｂ
Ｃ、ＴａＣ、ＭｏＣ、ＶＣ、ＺｒＣ、Ｗ2Ｃなどの炭化
物をさすが、ダイヤモンドとの接合性に優れているのは
特にＴｉＣである。

【００３２】尚、非晶質カーボンとは、アモルファスカ
ーボン及び、例えばグラファイト的なＰＧ、ＧＣと呼ば
れるもの（ＰＧは結晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がや
や乱れたもの、ＧＣは結晶粒が２ｎｍ程度になり結晶構
造の乱れがさらに大きくなったものを指す）、及びそれ
ら材料の混合物を指す。

【００３３】基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不
純物含有量を減少したガラス、青板ガラス、青板ガラス
にスパッタ法等により形成したＳｉＯ2を積層したガラ
ス基板及びアルミナ等のセラミックス及びＳｉ基板等を
用いることができる。

【００３４】対向する素子電極２、３の材料としては、
一般的な導体材料を用いることができる。これは例えば
Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃ
ｕ、Ｐｄ等の金属或は合金及びＰｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ
Ｏ2、Ｐｄ−Ａｇ等の金属或は金属酸化物とガラス等か
ら構成されるの印刷導体、Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2等の透明
導電体及びポリシリコン等の半導体導体材料等から適宜
選択することができる。

【００３５】素子電極間隔Ｌ’、素子電極長さＷ’、導
電性薄膜４、５の形状等は、応用される形態等を考慮し
て、設計される。素子電極間隔Ｌ’は、好ましく、数１
００ｎｍから数百μｍの範囲とすることができ、より好
ましくは、素子電極間に印加する電圧等を考慮して数μ
ｍから数十μｍの範囲とすることができる。素子電極長
さＷ’は、電極の抵抗値、電子放出特性を考慮して、数
μｍから数百μｍの範囲とすることができる。素子電極
２、３の膜厚ｄは、数十ｎｍから数μｍの範囲とするこ
とができる。

【００３６】尚、図１に示した構成だけでなく、基板１
上に、導電性薄膜４、５対向する素子電極２、３の順に
積層した構成とすることもできる。

【００３７】導電性薄膜４、５は素子電極と同じ材料で
同時に作製してもかまわないが、良好な電子放出特性を
得るためにはダイヤモンドとの接合を考慮し、金属性炭
化物や金属性炭化物をつくる金属、もしくはグラファイ
ト、および非晶質カーボンなどが含有されていることが
好ましく、とくＴｉが含まれている膜を用いるのが好ま
しい。その膜厚はダイヤモンド微粒子の粒径や素子電極
２、３へのステップカバレージ、およびその間の抵抗値
等を考慮して適宜設定されるが、通常は、数１０ｎｍか
ら数１００ｎｍの範囲とするのが好ましい。

【００３８】『微粒子』本明細書では頻繁に「微粒子」
という言葉を用いるので、その意味について説明する。

【００３９】小さな粒子を「微粒子」と呼び、これより
も小さなものを「超微粒子」と呼ぶ。「超微粒子」より
もさらに小さく原子の数が数百個程度以下のものを「ク
ラスター」と呼ぶことは広く行われている。しかしなが
ら、それぞれの境は厳密なものではなく、どの様な性質
に注目して分類するかにより変化する。また「微粒子」
と「超微粒子」を一括して「微粒子」と呼ぶ場合もあ
り、本明細書中での記述はこれに沿ったものである。

【００４０】「実験物理学講座１４表面・微粒子」
（木下是雄編、共立出版１９８６年９月１日発行）
では次のように記述されている。

【００４１】「本稿で微粒子と言うときにはその直径が
だいたい２〜３μｍ程度から１０ｎｍ程度までとし、特
に超微粒子というときは粒径が１０ｎｍ程度から２〜３
ｎｍ程度までを意味することにする。両者を一括して単
に微粒子と書くこともあってけっして厳密なものではな
く、だいたいの目安である。粒子を構成する原子の数が
２個から数十〜数百個程度の場合はクラスターと呼
ぶ。」（１９５ページ２２〜２６行目）付言すると、新技術開発事業団の”林・超微粒子プロジ
ェクト’での「超微粒子」の定義は、粒径の下限はさら
に小さく、次のようなものであった。

【００４２】「創造科学技術推進制度の”超微粒子プロ
ジェクト”（１９８１〜１９８６）では、粒子の大きさ
（径）がおよそ１〜１００ｎｍの範囲のものを”超微粒
子”（ultra fine particle）と呼ぶことにした。する
と１個の超微粒子はおよそ１０⁰〜１０⁸個くらいの原子
の集合体という事になる。原子の尺度でみれば超微粒子
は大〜巨大粒子である。」（「超微粒子−創造科学技術
−」林主税、上田良二、田崎明編；三田出版１９８
８年２ページ１〜４行目）「超微粒子よりさらに小さ
いもの、すなわち原子が数個〜数百個で構成される１個
の粒子は、ふつうクラスターと呼ばれる」（同書２ペー
ジ１２〜１３行目）上記のような一般的な呼び方をふまえて、本明細書にお
いて「微粒子」とは多数の原子・分子の集合体で、粒径
の下限は数ｎｍ程度、上限は１０μｍ程度のものを指す
こととする。

【００４３】『垂直型素子』次に、垂直型表面伝導型電
子放出素子について説明する。

【００４４】図４は、本発明の垂直型表面伝導型電子放
出素子の一例を示す模式図である。図４においては、図
１に示した部位と同じ部位には図１に付した符号と同一
の符号を付している。４１は、段差形成部である。基板
１、素子電極２、３、導電性薄膜４、５、電子放出部６
は前述した平面型表面伝導型電子放出素子の場合と同様
の材料で構成することができる。段差形成部４１は、真
空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成されたＳｉＯ2
等の絶縁性材料で構成することができる。段差形成部４
１の膜厚は先に述べた平面型表面伝導型電子放出素子の
素子電極間隔Ｌ’に対応し、数１００ｎｍから数１００
μｍの範囲とすることができる。

【００４５】導電性薄膜４、５は、素子電極２及び３と
段差形成部４１作成後に、該素子電極２、３の上に積層
される。電子放出部６は、図４においては、段差形成部
４１に形成されているが、作成条件、ダイヤモンド微粒
子形状に依存し、形状、位置ともこれに限られるもので
ない。

【００４６】『製法例』上述の平面型及び垂直型の表面
伝導型電子放出素子の製造方法としては様々な方法があ
るが、その一例を図５に模式的に示す。

【００４７】以下、図５を参照しながら製造方法の一例
について説明する。図５においても、図１に示した部位
と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付して
いる。

【００４８】（１）基板１を洗剤、純水および有機溶剤
等を用いて十分に洗浄し、次に真空蒸着法、スパッタ法
等により素子電極材料を堆積後、例えばフォトリソグラ
フィー技術を用いて基板１上に素子電極２、３を形成す
る（図５（ａ））。

【００４９】（２）素子電極２、３を設けた基板１に、
ダイヤモンド微粒子を付着させる（図５ｂ）。それには
蛍光体の塗布に利用されている沈降法、スラリー法、ダ
スティング法なども利用可能である。ただし、この工程
は素子電極２、３を作製する前でも可能であり、また後
述する導電性薄膜４、５の作製後でも可能である。いく
つかのダイヤモンド微粒子付着方法を以下に列挙する
と、（Ａ）粒子径１０μｍ以下のダイヤモンド粒子を含む水
または有機溶媒等の液体を、基板１または、導電性薄膜
４、５上に塗布し液体を乾燥させ、ダイヤモンド微粒子
を付着させる。（Ｂ）（沈降法）基板１を最初に硫酸カリウムや酢酸バ
リウムなどの電解質水溶液に浸しておき、そこにダイヤ
モンド微粒子が分散しているけい酸カリウムの水溶液を
入れ静置しておき、ダイヤモンド微粒子を沈降させ、上
澄み液を排出して乾燥させる。（Ｃ）（スラリー法）ポリビニルアルコールと重クロム
酸塩との水溶液に粒子径１０μｍ以下のダイヤモンド微
粒子を分散させ（スラリーと呼ぶ）、そのスラリーをス
ピンコートなどで基板１に塗布し、乾燥後シャドウマス
クの上から水銀灯などで露光する。その後純水で洗浄す
ると紫外線が照射された部分だけダイヤモンド微粒子が
残り、不要部分は除去される。（Ｄ）（ダスティング法）スラリー法に似ているが、ダ
イヤモンドを含まないポリビニルアルコールと重クロム
酸塩との水溶液を基板１に塗布した後乾燥する前にダイ
ヤモンド微粒子をエアスプレーにより付着させ、その後
スラリー法と同様に露光して所望の位置にダイヤモンド
微粒子を付着させる。（Ｅ）粒子径１０μｍ以下のダイヤモンド粒子を含む水
または有機溶媒等の液体中に基板１を挿入し徐々に引き
上げ乾燥させ、ダイヤモンド微粒子を付着させる。この
際スラリー法と組み合わせることも可能である。また引
き上げ途中に超音波処理を行うのも有効である。

【００５０】もちろん、パターニングはリフトオフ等に
より作製することも可能である。

【００５１】（３）つづいて、導電性薄膜４，５を成膜
する。成膜にはスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法など一般
的な方法が利用可能である（図５ｃ）。

【００５２】（４）次に、電子放出部６の形成方法とし
て、上述の通電フォーミングによる方法を説明する。通
電フォーミングの電圧波形を図１７に示す。電圧波形
は、パルス波形が好ましい。これにはパルス波高値を低
電圧としたパルスを連続的に印加する、図１７（ａ）に
示した手法がある。

【００５３】図１７（ａ）におけるＴ１及びＴ２は電圧
波形のパルス幅とパルス間隔である。通常Ｔ１は１μse
c.〜１０ｍsec.、Ｔ２は１０μsec.〜１０ｍsec.の範囲
で設定される。三角波の波高値（通電フォーミング時の
ピーク電圧）は、表面伝導型電子放出素子形態に応じて
適宜選択される。このような条件のもと、例えば数秒か
ら数十分間電圧を印加する。パルス波形は三角波に限定
されるものではなく、矩形波など所望の波形を採用する
ことができる。

【００５４】図１７（ｂ）におけるＴ１及びＴ２は、図
１７（ａ）に示したのと同様にすることができる。三角
波の波高値（通電フォーミング時のピーク電圧）は、例
えば０.１Ｖステップ程度ずつ増加させることができ
る。

【００５５】通電フォーミング処理の終了は、パルス間
隔Ｔ２中に、導電性薄膜４，５を局所的に破壊、変形し
ない程度の電圧を印加し、電流を測定して検知すること
ができる。例えば、０.１Ｖ程度の電圧印加により素子
電流を測定し、抵抗値を求めて、１ＭΩ以上の抵抗を示
した時、通電フォーミングを終了させる。（図５
（ｄ））その後ダイヤモンド微粒子と導電性薄膜４，５の結合性
を改善しておくことが有効である場合が多い。これには
電磁波照射を行うのが好ましく、レーザーアニールや赤
外線アニールが挙げられる。ここでアニール温度は１０
０〜１０００℃程度が好ましい。また原料ダイヤモンド
の時点でダイヤモンド表面の一部に金属性炭化物、もし
くはグラファイト、および非晶質カーボンのいずれかが
結合しているものを用いることも有効である。

【００５６】このような工程を経て得られた電子放出素
子は、安定化工程を行うことが好ましい。この工程には
ダイヤモンド表面の水素処理が挙げられる。方法として
は水素分圧１０^-6パスカル以上の雰囲気でアニールする
工程や、また水素分圧１０^-7パスカル以上、１０^-2パス
カル以下の雰囲気での雰囲気下で素子を初期駆動する工
程、およびダイヤモンド微粒子層表面を水素プラズマ処
理することが有効であり、その結果電子放出の増大や安
定化がもたらされる。ここでアニール温度は１００〜１
０００℃程度が好ましい。水素プラズマでは水素以外の
ガス、例えばアルゴン、ヘリウム、窒素などが混合され
ていてもかまわない。この効果の原因としてはダイヤモ
ンド表面の表面洗浄、および表面にでているダングリン
グボンドの水素結合の促進が考えられる。

【００５７】安定化工程を行った後の駆動時の雰囲気は
有機物質が十分除去されていれば、真空度自体は多少低
下しても十分安定な特性を維持することが出来る。ただ
し１０^-3パスカルより高真空、好ましくは１０^-4パスカ
ルより高真空であることがよい。真空容器を排気する真
空排気装置は、装置から発生するオイルが素子の特性に
影響を与えないように、オイルを使用しないものを用い
るのが好ましい。具体的には、ソープションポンプ、イ
オンポンプ等の真空排気装置を挙げることが出来る。さ
らに真空容器内を排気するときには、真空容器全体を加
熱して、真空容器内壁や、電子放出素子に吸着した有機
物質分子を排気しやすくするのが好ましい。このときの
加熱条件は、８０〜２５０℃、好ましくは１５０℃以上
で、できるだけ長時間処理するのが望ましいが、特にこ
の条件に限るものではなく、真空容器の大きさや形状、
電子放出素子の構成などの諸条件により適宜選ばれる条
件により行う。このような真空雰囲気を採用することに
より、真空中残留ガスによる電子放出面の汚染を抑制で
き、結果として素子電流Ｉf、放出電流Ｉeが安定する。

【００５８】尚、上述の表面伝導型電子放出素子の製造
法は１例であり、これに限るものでない。

【００５９】『基本特性』上述した工程を経て得られた
本発明を適用可能な電子放出素子の基本特性について図
６、図７を参照しながら説明する。

【００６０】図６は、真空処理装置の一例を示す模式図
であり、この真空処理装置は測定評価装置としての機能
をも兼ね備えている。図６においても、図１に示した部
位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付し
ている。図６において、６５は真空容器であり、６６は
排気ポンプである。真空容器６５内には電子放出素子が
配されている。即ち、１は電子放出素子を構成する基体
であり、２及び３は素子電極、４、５は導電性薄膜、６
は電子放出部である。また、６１は電子放出素子に素子
電圧Ｖfを印加するための電源、６０は素子電極２−３
間の導電性薄膜４−５を流れる素子電流Ｉfを測定する
ための電流計、６４は素子の亀裂部より放出される放出
電流Ｉeを捕捉するためのアノード電極である。６３は
アノード電極６４に電圧を印加するための高圧電源、６
２は放出電流Ｉeを測定するための電流計である。一例
として、アノード電極の電圧を１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲
とし、アノード電極６４と電子放出素子との距離Ｈを２
ｍｍ〜８ｍｍの範囲として測定を行うことができる。

【００６１】真空容器６５内には、不図示の真空計等の
真空雰囲気下での測定に必要な機器が設けられていて、
所望の真空雰囲気下での測定評価を行えるようになって
いる。排気ポンプ６６は、ターボポンプ、ロータリーポ
ンプからなる通常の高真空装置系と更に、イオンポンプ
等からなる超高真空装置系とにより構成されている。こ
こに示した電子源基板１を配した真空処理装置の全体
は、不図示のヒーターにより加熱できる。従って、この
真空処理装置を用いると、前述の水素アニール処理の工
程も行うことができる。

【００６２】図７は、図６に示した真空処理装置を用い
て測定された放出電流Ｉe、素子電流Ｉfと素子電圧Ｖf
の関係を模式的に示した図である。図７においては、放
出電流Ｉeが素子電流Ｉfに比べて小さいので、任意単位
で示している。なお縦、横軸ともリニアスケールであ
る。

【００６３】図７からも明らかなように、本発明の適用
可能な表面伝導型電子放出素子は、放出電流Ｉeに関し
て対する三つの特徴的性質を有する。即ち、（１）本表面伝導型電子放出素子はある電圧（しきい値
電圧と呼ぶ、図７中のＶth）以上の素子電圧を印加する
と急激に放出電流Ｉeが増加し、一方しきい値電圧Ｖth
以下では放出電流Ｉeがほとんど検出されない。つま
り、放出電流Ｉeに対する明確なしきい値電圧Ｖthを持
った非線形素子である。（２）放出電流Ｉeが素子電圧Ｖfに単調増加に依存する
ため、放出電流Ｉeは素子電圧Ｖfで制御できる。（３）アノード電極６４に捕捉される放出電荷は、素子
電圧Ｖfを印加する時間に依存する。つまり、アノード
電極６４に捕捉される電荷量は、素子電圧Ｖfを印加す
る時間により制御できる。

【００６４】以上の説明より理解されるように、本発明
の適用可能な表面伝導型電子放出素子は、入力信号に応
じて、電子放出特性を容易に制御できることになる。こ
の性質を利用すると複数の電子放出素子を配して構成し
た電子源、画像形成装置等、多方面への応用が可能とな
る。図７においては、素子電流Ｉfが素子電圧Ｖfに対し
て単調増加する（以下、「ＭＩ特性」という）例を示し
た。

【００６５】『応用例』本発明の適用可能な電子放出素
子の応用例について以下に述べる。本発明の表面伝導型
電子放出素子の複数個を基板上に配列し、例えば電子源
あるいは、画像形成装置が構成できる。

【００６６】電子放出素子の配列については、種々のも
のが採用できる。一例として、並列に配置した多数の電
子放出素子の個々を両端で接続し、電子放出素子の行を
多数個配し（行方向と呼ぶ）、この配線と直交する方向
（列方向と呼ぶ）で、該電子放出素子の上方に配した制
御電極（グリッドとも呼ぶ）により、電子放出素子から
の電子を制御駆動するはしご状配置のものがある。これ
とは別に、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に
複数個配し、同じ行に配された複数の電子放出素子の電
極の一方を、Ｘ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配
された複数の電子放出素子の電極の他方を、Ｙ方向の配
線に共通に接続するものが挙げられる。このようなもの
は所謂単純マトリクス配置である。まず単純マトリクス
配置について以下に詳述する。

【００６７】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素
子については、前述したとおり（１）乃至（３）の特性
がある。即ち、表面伝導型電子放出素子からの放出電子
は、しきい値電圧以上では、対向する素子電極２，３間
に印加するパルス状電圧の波高値と巾で制御できる。一
方、しきい値電圧Ｖth以下では、殆ど放出されない。こ
の特性によれば、多数の電子放出素子を配置した場合に
おいても、個々の素子に、パルス状電圧を適宜印加すれ
れば、入力信号に応じて、表面伝導型電子放出素子を選
択して電子放出量を制御できる。

【００６８】以下この原理に基ずき、本発明を適用可能
な電子放出素子を複数配して得られる電子源基板につい
て、図８を用いて説明する。図８において、８１は電子
源基板、８２はＸ方向配線、８３はＹ方向配線である。
８４は表面伝導型電子放出素子、８５は結線である。
尚、表面伝導型電子放出素子８４は、前述した平面型あ
るいは垂直型のどちらであってもよく、各Ｘ方向配線８
２とＹ方向配線８３との交差点に該当する電子放出素子
８４には図１，図２，図４に示す素子を複数個、例えば
数個から数百個が備えられている。

【００６９】ｍ本のＸ方向配線８２は、Ｄｘ１、Ｄｘ
２．．．Ｄｘｍからなり、真空蒸着法、印刷法、スパッ
タ法等を用いて形成された導電性金属等で構成すること
ができる。配線の材料、膜厚、巾は、適宜設計される。
Ｙ方向配線８３は、Ｄｙ１、Ｄｙ２，．．．Ｄｙｎのｎ
本の配線よりなり、Ｘ方向配線８２と同様に形成され
る。これらｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８
３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、
両者を電気的に分離している（ｍ、ｎは、共に正の整
数）。

【００７０】不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷
法、スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ2等で構成
される。例えば、Ｘ方向配線８２を形成した電子源基板
８１の全面或は一部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ
方向配線８２とＹ方向配線８３の交差部の電位差に耐え
得るように、膜厚、材料、製法が適宜設定される。Ｘ方
向配線８２とＹ方向配線８３は、それぞれ外部端子とし
て引き出されている。

【００７１】表面伝導型放出素子８４を構成する一対の
電極（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方
向配線８３と導電性金属等からなる結線８５によって電
気的に接続されている。

【００７２】配線８２と配線８３を構成する材料、結線
８５を構成する材料及び一対の素子電極２，３を構成す
る材料は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であ
っても、またそれぞれ異なってもよい。これら材料は、
例えば前述の素子電極２，３の材料より適宜選択され
る。素子電極２，３を構成する材料と配線材料が同一で
ある場合には、素子電極２，３に接続した配線は素子電
極の延長線上にあるということもできる。

【００７３】Ｘ方向配線８２には、Ｘ方向に配列した表
面伝導型放出素子８４の行を、選択するための走査信号
を印加する不図示の走査信号印加手段が接続される。一
方、Ｙ方向配線８３には、Ｙ方向に配列した表面伝導型
放出素子８４の各列を入力信号に応じて、変調するため
の不図示の変調信号発生手段が接続される。各電子放出
素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印加される走
査信号と変調信号の差電圧として供給される。

【００７４】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。このような単純マトリクス配置の電子
源を用いて構成した画像形成装置について、図９と図１
０及び図１１を用いて説明する。図１０は、画像形成装
置の表示パネルの一例を示す模式図であり、図９は、図
１０の画像形成装置に使用される蛍光膜の模式図であ
る。図１１は、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示
を行なうための駆動回路の一例を示すブロック図であ
る。

【００７５】図１０において、８１は電子放出素子を複
数配した電子源基板、１０１は電子源基板８１を固定し
たリアプレート、１０６は外部から観測される表示面と
もなるガラス基板１０３の内面に蛍光膜１０４とメタル
バック１０５等が形成されたフェースプレートである。
１０２は支持枠であり該支持枠１０２には、リアプレー
ト１０１、フェースプレート１０６がフリットガラス等
を用いて接続されている。１０８は外囲器であり、例え
ば大気中あるいは窒素中で、４００〜５００℃の温度範
囲で１０分以上焼成することで、封着して構成される。
８４は、図１における電子放出部に相当する。８２、８
３は表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極と接続さ
れたＸ方向配線及びＹ方向配線である。外囲器１０８は
上述の如く、フェースプレート１０６、支持枠１０２、
リアプレート１０１で構成される。リアプレート１０１
は主に基板８１の強度を補強する目的で設けられるた
め、基板８１自体で十分な強度を持つ場合は別体のリア
プレート１０１は不要とすることができる。即ち、基板
８１に直接支持枠１０２を封着し、フェースプレート１
０６、支持枠１０２及び基板８１で外囲器１０８を構成
しても良い。一方、フェースプレート１０６、リアプレ
ート１０１間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体
を設置することにより、大気圧に対して十分な強度を持
つ構成にすることもできる。

【００７６】図９は、蛍光膜を示す模式図である。蛍光
膜１０４は、モノクロームの場合は蛍光体のみから構成
することができる。カラーの蛍光膜の場合は、蛍光体の
配列によりブラックストライプあるいはブラックマトリ
クスなどと呼ばれる黒色導電材９１と蛍光体９２とから
構成することができる。ブラックストライプ、ブラック
マトリクスを設ける目的は、カラー表示の場合、必要と
なる三原色蛍光体の各蛍光体９２間の塗り分け部を黒く
することで混色等を目立たなくすることと、蛍光膜１０
４における外光反射によるコントラストの低下を抑制す
ることにある。ブラックストライプの材料としては、通
常用いられている黒鉛を主成分とする材料の他、導電性
があり、光の透過及び反射が少ない材料を用いることが
できる。

【００７７】ガラス基板１０３に蛍光体を塗布する方法
は、モノクローム、カラーによらず沈降法、スラリー
法、印刷法等が採用できる。蛍光膜１０４の内面側に
は、通常メタルバック１０５が設けられる。メタルバッ
クを設ける目的は、蛍光体の発光のうち内面側への光を
フェースプレート１０６側へ鏡面反射させることにより
輝度を向上させること、電子ビーム加速電圧を印加する
ための電極として作用させること、外囲器内で発生した
負イオンの衝突によるダメージから蛍光体を保護するこ
と等である。メタルバック１０５は、蛍光膜１０４を作
製後、蛍光膜１０４の内面側表面の平滑化処理（通常、
「フィルミング」と呼ばれる。）を行い、その後、Ａｌ
を真空蒸着等を用いて堆積させることで作製できる。

【００７８】フェースプレート１０６には、更に蛍光膜
１０４の導電性を高めるため、蛍光膜１０４の外面側に
ＩＴＯ等の透明電極（不図示）を設けてもよい。前述の
封着を行う際には、カラーの場合は各色蛍光体と電子放
出素子とを対応させる必要があり、十分な位置合わせが
不可欠となる。

【００７９】図１０に示した画像表示パネルである画像
形成装置は、例えば以下のようにして製造される。

【００８０】外囲器１０８は、前述の安定化工程と同様
に、適宜加熱しながら、イオンポンプ、ソープションポ
ンプなどのオイルを使用しない排気装置により不図示の
排気管を通じて排気し、１０^-5パスカル程度の真空度の
有機物質の十分少ない雰囲気にした後、封止が成され
る。外囲器１０８の封止後の真空度を維持するために、
ゲッター処理を行なうこともできる。これは、外囲器１
０８の封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱ある
いは高周波加熱等を用いた加熱により、外囲器１０８内
の所定の位置（不図示）に配置されたゲッターを加熱
し、蒸着膜を形成する処理である。ゲッターは通常Ｂａ
等が主成分であり、該蒸着膜の吸着作用により、たとえ
ば１×１０^-3ないしは１×１０^-5パスカルの真空度を維
持するものである。

【００８１】次に、単純マトリクス配置の電子源を用い
て構成した表示パネルに、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
基づいたテレビジョン表示を行う為の駆動回路の構成例
について、図１１を用いて説明する。図１１において、
１１１は図１０に示した画像表示パネル、１１２は走査
回路、１１３は制御回路、１１４はシフトレジスタであ
る。１１５はラインメモリ、１１６は同期信号分離回
路、１１７は変調信号発生器、ＶｘおよびＶａは直流電
圧源である。

【００８２】表示パネル１１１は、端子Ｄox1乃至Ｄox
m、端子Ｄoy1乃至Ｄoyn、及び高圧端子Ｈｖを介して外
部の電気回路と接続している。端子Ｄox1乃至Ｄoxmに
は、表示パネル内に設けられている電子源、即ち、ｍ行
ｎ列の行列状にマトリクス配線された表面伝導型電子放
出素子群を一行（ｎ素子）ずつ順次駆動する為の走査信
号が印加される。

【００８３】端子Ｄoy1乃至Ｄoynには、前記走査回路１
１２からの走査信号により選択された一行の表面伝導型
電子放出素子の各素子の出力電子ビームを制御する為の
変調信号が印加される。高圧端子Ｈｖには、直流電圧源
Ｖａより、例えば１０ｋＶの直流電圧が供給されるが、
これは表面伝導型電子放出素子から放出される電子ビー
ムに蛍光体を励起するのに十分なエネルギーを付与する
為の加速電圧である。

【００８４】走査回路１１２について説明する。同回路
は、内部にｍ個のスイッチング素子を備えたもので（図
中、Ｓ１ないしＳｍで模式的に示している）ある。各ス
イッチング素子は、直流電圧源Ｖｘの出力電圧もしくは
０［Ｖ］（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、
表示パネル１１１の端子Ｄox1乃至Ｄoxmと電気的に接続
される。Ｓ１乃至Ｓｍの各スイッチング素子は、制御回
路１１３が出力する制御信号ＴSCANに基づいて動作する
ものであり、例えばＦＥＴのようなスイッチング素子を
組み合わせることにより構成することができる。直流電
圧源Ｖｘは、本例の場合には表面伝導型電子放出素子の
特性（電子放出しきい値電圧）に基づき走査されていな
い素子に印加される駆動電圧が電子放出しきい値電圧以
下となるような一定電圧を出力するよう設定されてい
る。

【００８５】制御回路１１３は、外部より入力する画像
信号に基づいて適切な表示が行なわれるように各部の動
作を整合させる機能を有する。制御回路１１３は、同期
信号分離回路１１６より送られる同期信号ＴSYNCに基づ
いて、各部に対してＴSCANおよびＴSFTおよびＴMRYの各
制御信号を発生する。

【００８６】同期信号分離回路１１６は、外部から入力
されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号から同期信号成分と輝
度信号を含む映像信号成分とを分離する為の回路で、一
般的な周波数分離（フィルター）回路等を用いて構成で
きる。同期信号分離回路１１６により分離された同期信
号ＴSYNCは、垂直同期信号と水平同期信号より成るが、
ここでは説明の便宜上ＴSYNC信号として図示した。前記
テレビ信号から分離された画像の輝度信号成分は便宜上
ＤＡＴＡ信号と表した。該ＤＡＴＡ信号はシフトレジス
タ１１４に入力される。シフトレジスタ１１４は、時系
列的にシリアルに入力される前記ＤＡＴＡ信号を、画像
の１ライン毎にシリアル／パラレル変換するためのもの
で、前記制御回路１１３より送られる制御信号ＴSFTに
基づいて動作する（即ち、制御信号ＴSFTは、シフトレ
ジスタ１１４のシフトクロックであるということもでき
る）。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分
（電子放出素子ｎ素子分の駆動データに相当）のデータ
は、Ｉd1乃至Ｉdnのｎ個の並列信号として前記シフトレ
ジスタ１１４より出力される。

【００８７】ラインメモリ１１５は、シフトレジスタ１
１４からの画像１ライン分のデータを必要時間の間だけ
記憶する為の記憶装置であり、制御回路１０３より送ら
れる制御信号ＴMRYに従って適宜Ｉd1乃至Ｉdnの内容を
記憶する。記憶された内容は、Ｉ'd1乃至Ｉ'dnとして出
力され、変調信号発生器１１７に入力される。

【００８８】変調信号発生器１１７は、画像データＩ'd
1乃至Ｉ'dnの各々に応じて表面伝導型電子放出素子の各
々を適切に駆動変調する為の信号源であり、その出力信
号は、端子Ｄoy1乃至Ｄoynを通じて表示パネル１０１内
の表面伝導型電子放出素子に印加される。

【００８９】前述したように、本発明を適用可能な電子
放出素子は放出電流Ｉeに対して以下の基本特性を有し
ている。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖthが
あり、Ｖth以上の電圧を印加された時のみ電子放出が生
じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素子へ
の印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。このこ
とから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、例え
ば電子放出閾値以下の電圧を印加しても電子放出は生じ
ないが、電子放出閾値以上の電圧を印加する場合には表
面伝導型電子放出素子から電子ビームが出力される。そ
の際、パルスの波高値Ｖｍを変化させる事により出力電
子ビームの強度を制御することが可能である。また、パ
ルスの幅Ｐｗを変化させることにより出力される電子ビ
ームの電荷の総量を制御する事が可能である。

【００９０】従って、入力信号に応じて、電子放出素子
を変調する方式としては、電圧変調方式、パルス幅変調
方式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際して
は、変調信号発生器１１７として、一定長さの電圧パル
スを発生し、入力されるデータに応じて適宜パルスの波
高値を変調するような電圧変調方式の回路を用いること
ができる。

【００９１】パルス幅変調方式を実施するに際しては、
変調信号発生器１１７として、一定の波高値の電圧パル
スを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パルス
の幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を用いる
ことができる。

【００９２】シフトレジスタ１１４やラインメモリ１１
５は、デジタル信号式のものでもアナログ信号式のもの
でも採用できる。画像信号のシリアル／パラレル変換や
記憶が所定の速度で行なわれれば良いからである。

【００９３】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１１６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号化
する必要があるが、これには同期信号分離回路１１６の
出力部にＡ／Ｄ変換器を設ければ良い。これに関連して
ラインメモリ１１５の出力信号がデジタル信号かアナロ
グ信号かにより、変調信号発生器１１７に用いられる回
路が若干異なったものとなる。即ち、デジタル信号を用
いた電圧変調方式の場合、変調信号発生器１１７には、
例えばＤ／Ａ変換回路を用い、必要に応じて増幅回路な
どを付加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号発生
器１１７には、例えば高速の発振器および発振器の出力
する波数を計数する計数器（カウンタ）及び計数器の出
力値と前記メモリの出力値を比較する比較器（コンパレ
ータ）を組み合せた回路を用いる。必要に応じて、比較
器の出力するパルス幅変調された変調信号を表面伝導型
電子放出素子の駆動電圧にまで電圧増幅するための増幅
器を付加することもできる。

【００９４】アナログ信号を用いた電圧変調方式の場
合、変調信号発生器１１７には、例えばオペアンプなど
を用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフ
ト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方式
の場合には、例えば、電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を
採用でき、必要に応じて表面伝導型電子放出素子の駆動
電圧まで電圧増幅するための増幅器を付加することもで
きる。

【００９５】このような構成をとり得る本発明の適用可
能な画像表示装置においては、各電子放出素子に、容器
外端子Ｄox1乃至Ｄoxm、Ｄoy1乃至Ｄoynを介して電圧を
印加することにより、電子放出が生ずる。高圧端子Ｈｖ
を介してメタルバック１０５、あるいは透明電極（不図
示）に高圧を印加し、電子ビームを加速する。加速され
た電子は、蛍光膜１０４に衝突し、発光が生じて画像が
形成される。

【００９６】ここで述べた画像形成装置の構成は、本発
明を適用可能な画像形成装置の一例であり、本発明の技
術思想に基づいて種々の変形が可能である。入力信号に
ついてはＮＴＳＣ方式を挙げたが入力信号はこれに限ら
れるものではなく、ＰＡＬ，ＳＥＣＡＭ方式など他、
これよりも多数の走査線からなるＴＶ信号（例えば、Ｍ
ＵＳＥ方式をはじめとする高品位ＴＶ）方式をも採用で
きる。

【００９７】次に、はしご型配置の電子源及び画像形成
装置について図１２及び図１３を用いて説明する。

【００９８】図１２は、はしご型配置の電子源の一例を
示す模式図である。図１２において、１２０は電子源基
板、１２１は電子放出素子である。１２２のＤx1〜Ｄx1
0は、電子放出素子１２１を接続するための共通配線で
ある。各電子放出素子１２１は、図１，図２，図４に示
す素子を複数個、例えば数個から数百個を並列接続して
配置し、基板１２０上にＸ方向に並列に複数個配されて
いる（これを、素子行と呼ぶ）。この素子行が複数個配
されて電子源を構成している。各素子行の共通配線間に
駆動電圧を印加することで、各素子行を独立に駆動させ
ることができる。即ち、電子ビームを放出させたい素子
行には電子放出しきい値以上の電圧を、電子ビームを放
出しない素子行には電子放出しきい値以下の電圧を印加
する。各素子行間の共通配線Ｄx2〜Ｄx9は、例えばＤx
2、Ｄx3を同一配線とすることもできる。

【００９９】図１３は、図１２で示したはしご型配置の
電子源を備えた画像形成装置におけるパネル構造の一例
を示す模式図である。１３０はグリッド電極、１３１は
電子が通過するため空孔、１３２はＤox1，Ｄox
2，．．．Ｄoxmよりなる容器外端子である。１３３は、
グリッド電極１３０と接続されたＧ１、Ｇ２、．．．．
Ｇｎからなる容器外端子、１３４は各素子行間の共通配
線を同一配線とした電子源基板である。図１３において
は、図８、図１０に示した部位と同じ部位には、これら
の図に付したのと同一の符号を付している。ここに示し
た画像形成装置と、図１０に示した単純マトリクス配置
の画像形成装置との大きな違いは、電子源基板１３４と
フェースプレート１０６の間にグリッド電極１３０を備
えているか否かである。

【０１００】図１３においては、基板１３４とフェ−ス
プレ−ト１０６の間には、グリッド電極１３０が設けら
れている。グリッド電極１３０は、表面伝導型放出素子
８４から放出された電子ビ−ムを変調するためのもので
あり、はしご型配置の素子行と直交して設けられたスト
ライプ状の電極に電子ビ−ムを通過させるため、各素子
に対応して１個ずつ円形の開口１３１が設けられてい
る。グリッドの形状や設置位置は図１３に示したものに
限定されるものではない。例えば、開口としてメッシュ
状に多数の通過口を設けることもでき、グリッドを表面
伝導型放出素子の周囲や近傍に設けることもできる。

【０１０１】容器外端子１３２およびグリッド容器外端
子１３３は、不図示の制御回路と電気的に接続されてい
る。

【０１０２】本例の画像形成装置では、素子行を１列ず
つ順次駆動（走査）していくのと同期してグリッド電極
列に画像１ライン分の変調信号を同時に印加する。これ
により、各電子ビ−ムの蛍光体への照射を制御し、画像
を１ラインずつ表示すことができる。

【０１０３】本発明の画像形成装置は、テレビジョン放
送の表示装置、テレビ会議システムやコンピューター等
の表示装置の他、感光性ドラム等を用いて構成された光
プリンターとしての画像形成装置等としても用いること
ができる。

【０１０４】

【実施例】以下に、実施例をあげて、本発明をさらに詳
述する。

【０１０５】［実施例１］本発明にかかわる基本的な表
面伝導型電子放出素子の構成は、図１（ａ），（ｂ）の
平面図及び断面図と同様である。尚、基板は特性測定用
と形状観察用に２枚同じものを作製した。また、本発明
における表面伝導型電子放出素子の製造法は、基本的に
は図５と同様である。以下、図１、図５を用いて、本発
明に関わる素子の基本的な構成及び製造法を説明する。

【０１０６】図１において、１は基板、２と３は素子電
極、４と５は導電性薄膜、６は電子放出部である。

【０１０７】以下、順をおって製造方法の説明を図１及
び図５に基づいて具体的に説明する。

【０１０８】［工程−ａ］清浄化した青板ガラス上に厚
さ０.５μｍのシリコン酸化膜をスパッタ法で形成した
基板１上に、素子電極２、３のパターンをホトレジスト
（ＲＤ−２０００Ｎ−４１日立化成社製）により形成
し、真空蒸着法により厚さ５０ｎｍのＰｔを堆積した。
ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、堆積膜をリ
フトオフし、素子電極間隔Ｌ’＝２０μｍ、素子電極の
幅Ｗ’＝２ｍｍを有する素子電極２、３を形成した。

【０１０９】［工程−ｂ］電子放出素子用のダイヤモン
ド分散をおこなうために、基板全体を水、イソプロピル
アルコール（ＩＰＡ）、ポリビニルアルコール、ダイヤ
モンド微粒子（デビアス社、天然ダイヤモンドＳＮＤ
０〜１／４μｍ）を適度に混合した溶液を用意し、その
液に浸した後ゆっくり引き上げ、更に空気中３５０℃で
アニールしダイヤモンド微粒子を全面に付着させた。こ
うして形成されたダイヤモンド微粒子の密度は１μｍ２
あたり平均２個程度であった。

【０１１０】［工程−ｃ］電子放出素子の導電性薄膜
４、５の形状に対応する開口部を有するパターンをホト
レジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１日立化成社製）に
より形成し、真空蒸着法により厚さ８０ｎｍのＴｉＣを
堆積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、
堆積膜をリフトオフし、導電性薄膜４，５を形成した。
このリフトオフの際にＴｉＣが成膜された場所以外の場
所に付着していたダイヤモンド微粒子は剥離した。

【０１１１】［工程−ｃ］素子を、図６に示す測定装置
にセットし、真空漕６５内を排気装置６６（イオンポン
プ）により排気して１×１０^-4パスカルに達した後、素
子電圧Ｖｆを印加するための電源６１により素子電極
２，３間にパルスを印加し、通電フォーミングを施し
た。フォーミングに用いた電圧波形は、図１７（ｂ）に
示されるものである。

【０１１２】図１７（ｂ）中、Ｔ１及びＴ２は電圧波形
のパルス幅とパルス間隔であり、本実施例では、Ｔ１＝
１ｍsec.、Ｔ２＝１０ｍsec.とし、三角波の波高値（通
電フォーミング時のピーク電圧）は、０.１Ｖステップ
で徐々に昇圧させ、フォーミング処理を行った。またフ
ォーミング処理中は、同時に０.１Ｖの電圧でフォーミ
ングパルスの休止期間中に抵抗測定用パルスを挿入して
抵抗の測定を行った。フォーミングの終了は、この測定
値が１ＭΩ以上になった時とし、電圧の印加を終了し
た。フォーミング終了時のパルス波高値は約２５Ｖであ
った。

【０１１３】次に図６の測定装置内に作製した素子を設
置し、真空ポンプにて排気し、１０ ^-4パスカルの真空度
に達した後、水素４％アルゴン９６％のガスを導入し１
００パスカルの圧力にした状態で温度６００℃でアニー
ルを１時間施した。

【０１１４】こうして、実施例１の電子放出素子を作製
し、一方の素子を表面伝導電子放出素子の特性の評価の
為に上述の図６の測定評価装置で測定し、また残りの一
方を形態を把握するために電子顕微鏡で形態の観察し
た。なお、評価条件としてアノード電極と電子放出素子
間の距離を４ｍｍ、アノード電極の電位を１ｋＶ、電子
放出特性測定時の真空装置内の真空度を１０^-6パスカル
とした。素子電極２及び３の間に素子電圧を１５Ｖ印加
し、その時に流れる素子電流Ｉf及びアノードに到達す
る放出電流Ｉeを測定した。その結果５ｍＡ程度の素子
電流Ｉfが流れ、放出電流Ｉeは１０μＡであった。又、
電子顕微鏡で観察した形態は、図３（ｂ）に示したもの
と同様であった。

【０１１５】次に、これらの表面伝導型電子放出素子の
動作安定性をみるために、１５Ｖを印加して動作し、素
子電流Ｉf，放出電流Ｉeの時間変化を測定した。この結
果、１００時間駆動後も減少がほとんど見られなかっ
た。

【０１１６】以上より、特定の導電性薄膜４，５の位置
にダイヤモンドを分散させることで、効率が良く安定し
た素子電流Ｉf、放出電流Ｉeが長時間得られる電子放出
素子が作製できた。

【０１１７】［実施例２］実施例１と同様な方法で導電
性薄膜４，５の種類を変えた表面伝導型電子放出素子を
作製した。導電性薄膜４，５にはＣ（カーボン）、Ｔ
ｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａ
ｕを用いた。続いて実施例１と同様の評価装置にて素子
電流Ｉfと放出電流Ｉeを測定した。その結果を導電性薄
膜４，５にＣを用いた場合を基準値として表１にまとめ
た。

【０１１８】

【表１】導電性薄膜４，５にＣ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｖ、
Ｚｒ、Ｗ、Ｃｒを用いた場合は実施例１と同様の素子電
流と放出電流が観測されたが、導電性薄膜４，５にＣ
ｕ、Ａｕを用いた場合ではかなり小さな素子電流と放出
電流しか得られなかった。その原因をしらべるために素
子の亀裂部の形態を電子顕微鏡で観察した結果、導電性
薄膜４，５にＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｗ、
Ｃｒを用いた場合はダイヤモンドと導電性薄膜４，５の
間にＴｉＣなどの炭化物ができていることがわかった。
また導電性薄膜４，５にＣを用いた素子ではダイヤモン
ドと導電性薄膜４，５の間に非晶質カーボンと思われる
層とグラファイトが観察された。また導電性薄膜４，５
にＣｕ、Ａｕを用いた場合ではそのような中間層は見ら
れなかった。

【０１１９】以上の結果から、電子放出部の導電性薄膜
４，５とダイヤモンド微粒子の間に金属性炭化物、もし
くはグラファイトや非晶質カーボンのいずれかが接合さ
れている表面伝導型電子放出素子において、効率が良く
安定した素子電流Ｉf、放出電流Ｉeが得られる電子放出
源が作製できることがわかる。

【０１２０】さらに表１から導電性薄膜４，５にＣ、Ｔ
ｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｗをもちいた場合に
特に同じ電圧で比較した場合素子電流Ｉfや放出電流Ｉe
が大きいことがわかる。これらの材料の炭化物の仕事関
数が４．６ｅＶ（Ｃ）、２.３５ｅＶ（ＴｉＣ）、４.１
ｅＶ（ＮｂＣ）、３.０５ｅＶ（ＴａＣ）、３.５４ｅＶ
（ＭｏＣ）、３.８５ｅＶ（ＶＣ）、３.８ｅＶ（Ｚｒ
Ｃ）、４.６ｅＶ（Ｗ２Ｃ）と全て４.６ｅＶ以下であ
り、かつ放出電流Ｉeがほぼ仕事関数の少ない順に大き
くなっていることがわかる。

【０１２１】［実施例３］実施例１と同様な方法で導電
性薄膜４，５にＣ、Ｔｉ、Ｐｄを用いて表面伝導型電子
放出素子を作製した。ただしアニールに関しては、真空
中でアニール温度を上昇させながら測定を行った。測定
は実施例１と同様の評価装置にて素子電流Ｉfと放出電
流Ｉeを測定した。その際、素子電圧２０Ｖで放出電流
Ｉeが１μＡに達するまでアニール温度を上昇させた。
その結果、到達温度は導電性薄膜にＣを用いた場合は６
００℃、Ｔｉを用いた場合は５２０℃でありＰｄを用い
た場合は８００℃まで温度上昇させても、放出電流Ｉe
は１μＡに達しなかった。

【０１２２】以上の結果から電子放出部の導電性薄膜に
はＴｉを含有する膜を用いるとダイヤモンドと導電性薄
膜を接合を改善するためのアニール温度を低くすること
ができる。

【０１２３】［実施例４］実施例１と同様な方法で導電
性薄膜４，５にＴｉを用いた表面伝導型電子放出素子を
２つ作製した。表面伝導型電子放出素子の１つはそのま
まで、またもう一方は再度ダイヤモンドを実施例１の
［工程−ｂ］と同様の方法で素子の上に付着させた。そ
して２つの素子を実施例１と同様の評価装置６に設置
し、真空ポンプにて排気し、１０^-4パスカルの真空度に
達した後、水素４％、アルゴン９６％のガスを導入し１
０パスカルの圧力にした状態で温度２５０℃でアニール
を１０時間施した。そして２つの素子を評価装置にて素
子電流Ｉfと放出電流Ｉeを測定した。その結果、２５Ｖ
の素子電圧ではダイヤモンドを再付着させない素子に比
べて再付着させた素子では素子電流が１０％程度減少し
たものの放出電流Ｉeは２５％上昇し、結果的に効率が
高くなった。これは、電子放出部から放出された電子の
一部が、電界による力を受けて導電性薄膜に入射した
際、弾性散乱されて再度アノード電極に向かって飛び出
して行く確率が、導電性薄膜表面に分散されたダイヤモ
ンド微粒子によって、向上させられたためであろうと考
えられる。

【０１２４】［実施例５］実施例１と同様な方法で基板
１に２４個の表面伝導型電子放出素子を作成し、表面伝
導型電子放出素子による放出電流のバラツキを測定し
た。ただし素子作製［工程−ｂ］の工程を以下の様に変
更し、４種類の素子を作製した。（Ａ）ダイヤモンドが分散した溶液をスプレーにより基
板に塗布し、そのまま自然乾燥させた。（Ｂ）ダイヤモンドが分散した溶液をスピンコートによ
り塗布した。

【０１２５】ただし、スピンコートの条件は１５００回
転／分で１分間である。（Ｃ）実施例１同様にダイヤモンドが分散した溶液に基
板を垂直に浸し、そのまま基板１を５ｍｍ／ｓｅｃのス
ピードで引き上げた。（Ｄ）上記（Ｂ）の方法と同様であるが、基板が溶液中
にある間は溶液に超音波処理を行った。

【０１２６】上記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の４
種類の基板の表面伝導型電子放出素子を作製し、アニー
ルした後、実施例１と同様に素子電圧２０Ｖでの放出電
流を測定し２４素子でのバラツキを調べた。その結果Ａ
→Ｂ→Ｃ→Ｄの順でバラツキは小さくなった。この原因
を調べるために、各素子の亀裂部の形態を電子顕微鏡で
観察した結果、（Ａ）の方法で作製した素子はダイヤモ
ンド微粒子がかなり凝集しており、亀裂部が凸状になる
ほどダイヤモンドが付着する場合や、まったくダイヤモ
ンドが見られない場合など均一性がかなり悪かった。ま
た（Ｂ）の方法で作製した素子はダイヤモンド微粒子が
スピンコートする際の回転中心から筋状に付着してお
り、回転中心付近と中心から離れた場所での付着の様子
がかなり異なっていた。これは溶液の比重に比べてダイ
ヤモンドの比重が３倍程度あったためと考えられる。ま
た（Ｃ）の方法で作製した素子はダイヤモンド微粒子が
かなり均一に付着していたが、ところどころ数個のダイ
ヤモンドが凝集しているのがわかった。また（Ｄ）の方
法で作製した素子はダイヤモンド微粒子がほぼ均一に付
着しているのがわかった。これは超音波により若干の凝
集が防げたものと考えられる。

【０１２７】［実施例６］実施例５と同様な方法で基板
１に２４個の表面伝導型電子放出素子を作成した。ただ
し、表面伝導型電子放出素子の作製中［工程−ｂ］の工
程を以下の様に変更し、２種類の素子を作製した。（Ａ）ポリビニルアルコールと重クロム酸塩との水溶液
に実施例１と同じダイヤモンド微粒子を分散させ、その
スラリーをスピンコートで塗布し乾燥後シャドウマスク
の上から水銀灯で露光した。その後、純水で洗浄し不要
部分は除去した。（Ｂ）ダイヤモンドを含まないポリビニルアルコールと
重クロム酸塩との水溶液を基板に塗布した後乾燥する前
に実施例１と同じダイヤモンド微粒子をエアスプレーに
より付着させ、その後、（Ａ）と同様に露光し洗浄し乾
燥させた。

【０１２８】上記（Ａ）、（Ｂ）の２種類の基板の表面
伝導型電子放出素子を作製し、アニールした後、実施例
５と同様に素子電圧２０Ｖでの放出電流を測定した結果
同様の電子放出が得られた。また各素子のダイヤモンド
付着の様子を電子顕微鏡で観察した結果、両方とも水銀
灯により紫外線照射した部分だけダイヤモンドが付着し
ていることがわかった。

【０１２９】以上の結果からポリビニルアルコールなど
の高分子と重クロム酸塩などの混合された膜に紫外線照
射することによりダイヤモンド微粒子膜のパターニング
が出来ることがわかった。また、洗浄した溶液を回収す
ることによりダイヤモンドなどの再利用でき、コスト的
にも有効であることがわかる。

【０１３０】［実施例７］実施例１と同様な方法で基板
１に２個の表面伝導型電子放出素子作成し、表面伝導型
電子放出素子の素子電流と放出電流を測定した。ただ
し、素子作製工程を以下の様に変更して、２種類の素子
を作製した。（Ａ）ダイヤモンド微粒子の一部を真空中１３００℃に
て熱処理し若干炭化させたものを原料にした。（Ｂ）実施例１と同様であるが実施例１の水素アニール
前にＹＡＧレーザーにて電子放出部を溶融しない程度の
出力にしてアニールした。

【０１３１】上記（Ａ）、（Ｂ）の２種類の基板の素子
を作製した後、実施例１と同様に放出素子の特性の評価
の為に、図６の測定評価装置にて素子電圧２０Ｖで素子
電流、放出電流の測定を行った。その結果Ａ、Ｂのどち
らの方法においてもこれらの処置をしなかった素子に比
べ素子電流、放出電流の増大が見られた。この原因を調
べるために各素子の電子放出部の形態を電子顕微鏡で観
察した結果、どちらの方法で作製した素子でもダイヤモ
ンド微粒子と導電性薄膜の接触面積が大きくなっている
ように観察された。

【０１３２】以上の結果からダイヤモンド層形成工程に
用いるダイヤモンド微粒子の表面にあらかじめ金属性炭
化物、グラファイトや非晶質カーボンを結合させておく
ことや、ダイヤモンド微粒子および導電性薄膜にレーザ
ーなどの電磁波の照射することにより素子特性が改善さ
れることがわかる。

【０１３３】［実施例８］実施例１と同様な方法で、１
つの基板に２個の表面伝導型電子放出素子作成し、図６
の測定評価装置にて素子電圧２０Ｖで素子電流Ｉf、放
出電流Ｉeの測定を行った。ただし素子作製工程を以下
の様に変更した。（Ａ）素子作製後の水素４％中アニールを行わなかっ
た。（Ｂ）実施例１と同様であるが実施例１の水素アニール
の際の水素分圧を低い方から増大させながら素子評価を
行った。（Ｃ）素子作製後の水素４％中アニールを行わなかった
が、素子の初期駆動を水素分圧を低い方から増大させな
がら素子評価を行った。（Ｄ）素子作製後の水素４％中アニールを行わなかった
が、その代わり１パスカルの圧力にて素子表面の水素プ
ラズマ処理をおこなった。。

【０１３４】上記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の４
種類の方法で作製した表面伝導型電子放出素子におい
て、（Ａ）の方法で作製した素子では素子電流、放出電
流ともに約３分の１に減少したが、（Ｂ）の方法で作製
した素子では水素分圧１０^-6パスカル以上の雰囲気で、
（Ｃ）の方法で作製した素子では水素分圧１０^-7パスカ
ル以上１０^-2パスカル以下の雰囲気では素子電流、放出
電流ともに実施例１の方法で作製した素子と遜色はな
く、（Ｄ）の方法においても同様であった。この原因と
してダイタモンド微粒子の表面の改質が考えられる。

【０１３５】［実施例９］本実施例は、多数の表面伝導
電子放出素子を単純マトリクス配置した画像形成装置の
例である。

【０１３６】電子源の一部の平面図を図１４に示す。ま
た、図中のＡ−Ａ’断面図を１５図に示す。但し、図１
４、図１５、図１６で、同じ記号を付したものは、同じ
ものを示す。ここで、１は基板、８２は図８のＤxnに対
応するＸ方向配線（下配線とも呼ぶ）、８３は図８のＤ
ynに対応するＹ方向配線（上配線とも呼ぶ）、４と５は
導電性薄膜、２、３は素子電極、６は電子放出部、１５
１は層間絶縁層、１５２は素子電極２と下配線８２との
電気的接続のためのコンタクトホールでり、１５３はダ
イヤモンド微粒子層である。導電性薄膜４，５と素子電
極２，３とをそれぞれ重ねて記載しているのは、特に区
別する領域がなく、同一材料で作製できるからである。

【０１３７】次に製造方法を、１６図により工程順に従
って具体的に説明する。

【０１３８】［工程−ａ］清浄化した青板ガラス上に厚
さ０.５μｍのシリコン酸化膜をスパッタ法で形成した
基板１上に、真空蒸着により厚さ５ｎｍのＣｒ、厚さ６
００ｎｍのＡｕを順次積層した後、ホトレジスト（ＡＺ
１３７０ヘキスト社製）をスピンナーにより回転塗
布、ベークした後、ホトマスク像を露光、現像して、下
配線８２のレジストパターンを形成し、Ａｕ／Ｃｒ堆積
膜をウヱットエッチングして、所望の形状の下配線８２
を形成する（図１６（ａ））。

【０１３９】［工程−ｂ］次に、厚さ１.０μｍのシリ
コン酸化膜からなる層間絶縁層１５１をＲＦスパッタ法
により堆積する（図１６（ｂ））。

【０１４０】［工程−ｃ］工程ｂで堆積したシリコン酸
化膜に、コンタクトホール１５２を形成するためのホト
レジストパターンを作り、これをマスクとして層間絶縁
層１５１をエッチングして、コンタクトホール１５２を
形成する。エッチングはＣＦ４とＨ２ガスを用いたＲＩ
Ｅ（Reactive Ion Etching）法によった（図１６
（ｃ））。

【０１４１】［工程−ｄ］その後、素子電極２、３の形
状に対応する開口を有するパターンをホトレジスト（Ｒ
Ｄ−３０００Ｎ−４１日立化成社製）で形成し、真空
蒸着法により、厚さ５０ｎｍのＰｔを堆積し、ホトレジ
ストパターンを有機溶剤で溶解し、リフトオフにより、
素子電極２、３を形成した。（図１６（ｄ））。

【０１４２】［工程−ｅ］素子電極３の上に工程−ｄと
同様の方法で、厚さ５００ｎｍのＡｕより上配線を形成
した（図１６（ｅ））。

【０１４３】［工程−ｆ］導電性薄膜４，５の形状に対
応する開口を有するホトレジストパターンを形成し、真
空蒸着法により厚さ１００ｎｍのＴｉを堆積し、続いて
基板全体を水、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、ポ
リビニルアルコール、ダイヤモンド微粒子（デビアス
社、天然ダイヤモンドＳＮＤ０〜１／４μｍ、ダイヤ
モンドは１重量％）を混合した分散液中に浸し、その
後、ゆっくりと引き上げて乾燥し、ダイヤモンド微粒子
を付着させ、ホトレジストを有機溶剤に融解して、リフ
トオフにより、導電性薄膜４，５及びダイヤモンド微粒
子分散層１５３を形成し、さらに空気中３５０℃でアニ
ールしてダイヤモンド微粒子の付着強度を改善した。

【０１４４】続いて、上記電子源を真空装置内にセット
し、１×１０^-4パスカルの真空中でＸ方向配線Ｄｘ１，
Ｄｘ２，…、及びＹ方向配線Ｄｙ１，Ｄｙ２，…を通じ
て、実施例１の工程−ｄと同様のパルス電圧を印加し、
通電フォーミング処理により、電子放出部６を形成し
た。（図１６（ｆ））。

【０１４５】［工程−ｇ］その後、ＹＡＧレーザーによ
り基板をＸ，Ｙ方向に操作させながらダイヤモンド微粒
子層１５３の部分をレーザーアニールした。

【０１４６】以上の工程により絶縁性基板１上に下配線
８２、層間絶縁層１５１、上配線８３、素子電極２、
３、導電性薄膜４、５、電子放出部６、ダイヤモンド微
粒子層１５３等を形成した（図１５）。

【０１４７】つぎに、以上のようにして作成した電子源
を用いて表示装置を構成した例を、図８と図１０を用い
て説明する。

【０１４８】上記のようにして多数の平面型表面伝導電
子放出素子を作製した基板１をリアプレート１０１上に
固定した後、基板１の３ｍｍ上方に、フェースプレート
１０６（ガラス基板１０３の内面に蛍光膜１０４とメタ
ルバック１０５が形成されて構成される）を支持枠１０
２を介し配置し、フェースプレート１０６、支持枠１０
２、リアプレート１０１の接合部にフリットガラスを塗
布し、大気中あるいは窒素雰囲気中で４００℃で１０分
以上焼成することで封着した。またリアプレート１０１
への基板１の固定もフリットガラスで行った。

【０１４９】蛍光膜１０４は、本実施例では蛍光体はス
トライプ形状を採用し、先にブラックストライプを形成
し、その間隙部に各色蛍光体を順次塗布し、蛍光膜１０
４を作製した。ブラックストライプの材料として通常良
く用いられている黒鉛を主成分とする材料を用いたガラ
ス基板１０３に蛍光体を塗布する方法は、スラリー法を
用いた。また、蛍光膜１０４の内面側には通常メタルバ
ック１０５が設けられる。メタルバック１０５は、蛍光
膜１０４を作製後、蛍光膜１０４の内面側表面の平滑化
処理を行い、その後Ａｌを真空蒸着することで作製し
た。フェースプレート１０６には、更に蛍光膜１０４の
導電性を高めるため、蛍光膜１０４の外面側に透明電極
（不図示）が設けられる場合もあるが、本実施例では、
メタルバック１０５のみで十分な導電性が得られたので
省略した。

【０１５０】前述の封着を行う際、カラーの場合は各色
蛍光体と電子放出素子とを対応させなくてはいけないた
め、十分な位置合わせを行った。以下に、上述した表面
伝導電子放出素子を基板上に形成した表示装置の作製工
程について説明する。

【０１５１】［工程ーｈ］以上のようにして完成したガ
ラス容器内の雰囲気を排気管（図示せず）を通じ、真空
ポンプにて排気し、十分な真空度に達した後、水素４％
アルゴン９６％のガスを導入し１００パスカルの圧力に
した状態で２５０℃アニールを１時間施した。

【０１５２】次に１０^-5パスカル程度の真空度まで排気
し、不図示の排気管をガスバーナーで熱することで溶着
し外囲器の封止を行った。

【０１５３】最後に封止後の真空度を維持するために、
高周波加熱法でゲッター処理を行った。

【０１５４】以上のように完成した本発明の画像表示装
置において、各電子放出素子には、容器外端子Ｄx1ない
しＤxm、Ｄy1ないしＤynを通じ、走査信号及び変調信号
を不図示の信号発生手段よりそれぞれ、印加することに
より、電子放出させ、高圧端子Ｈｖを通じ、メタルバッ
ク１０５、あるいは透明電極（不図示）に数ｋＶ以上の
高圧を印加し、電子ビームを加速し、蛍光膜１０４に衝
突させ、励起・発光させることで画像を表示した。本発
明の画像表示装置は、明るくかつ安定な表示が行えた。

【０１５５】［実施例１０］図１８は、前記説明の表面
伝導型放出素子を電子ビーム源として用いたディスプレ
イパネルに、たとえばテレビジョン放送をはじめとする
種々の画像情報源より提供される画像情報を表示できる
ように構成した表示装置の一例を示すためのブロック図
である。図中、３３００は上述の画像表示装置を用いた
ディスプレイパネル、３３０１はディスプレイパネルの
駆動回路、３３０２はディスプレイコントローラ、３３
０３はマチプレクサ、３３０４はデコーダ、３３０５は
入出力インターフェース回路、３３０６はＣＰＵ、３３
０７は画像生成回路、３３０８および３３０９および３
３１０は画像メモリーインターフェース回路、３３１１
は画像入力インターフェース回路、３３１２および３３
１３はＴＶ信号受信回路、３３１４は入力部である。な
お、本表示装置は、たとえばテレビジョン信号のように
映像情報と音声情報の両方を含む信号を受信する場合に
は、当然映像の表示と同時に音声を再生するものである
が、本発明の特徴と直接関係しない音声情報の受信、分
離、再生、処理、記憶などに関する回路やスピーカーな
どについては説明を省略する。

【０１５６】以下、画像信号の流れに沿って各部の機能
を説明してゆく。

【０１５７】まず、ＴＶ信号受信回路３３１３は、たと
えば電波や空間光通信などのような無線伝送系を用いて
伝送されるＴＶ画像信号を受信する為の回路である。受
信するＴＶ信号の方式は特に限られるものではなく、た
とえば、ＮＴＳＣ方式、ＰＡＬ方式、ＳＥＣＡＭ方式、
衛星放送方式、衛星通信方式などの諸方式でもよい。ま
た、これらよりさらに多数の走査線よりなるＴＶ信号
（たとえばＭＵＳＥ方式をはじめとするいわゆる高品位
ＴＶ）は、大面積化や大画素数化に適した前記ディスプ
レイパネルの利点を生かすのに好適な信号源である。Ｔ
Ｖ信号受信回路３３１３で受信されたＴＶ信号は、デコ
ーダ３３０４に出力される。

【０１５８】また、ＴＶ信号受信回路３３１２は、たと
えば同軸ケーブルや光ファイバーなどのような有線伝送
系を用いて伝送されるＴＶ画像信号を受信するための回
路である。前記ＴＶ信号受信回路３３１３と同様に、受
信するＴＶ信号の方式は特に限られるものではなく、ま
た本回路で受信されたＴＶ信号もデコーダ３３０４に出
力される。

【０１５９】また、画像入力インターフェース回路３３
１１は、たとえばＴＶカメラや画像読み取りスキャナー
などの画像入力装置から供給される画像信号を取り込む
ための回路で、上述と同様にいずれの方式の画像信号で
もよく、取り込まれた画像信号はデコーダ３３０４に出
力される。

【０１６０】また、画像メモリーインターフェース回路
３３１０はビデオテープレコーダー（以下ＶＴＲと略
す）に記憶されている画像信号を取り込むための回路
で、上述と同様にいずれの方式の画像信号でもよく、取
り込まれた画像信号はデコーダ３３０４に出力される。

【０１６１】また、画像メモリインターフェース回路３
３０９は、ビデオディスク等に記憶されている画像信号
を取り込むための回路で、上述と同様にいずれの方式の
画像信号でもよく、取り込まれた画像信号はデコーダ３
３０４に出力される。

【０１６２】また、画像メモリインターフェース回路３
３０８は、いわゆる静止画ディスクや静止画カメラ等の
ように、静止画像データを記憶している装置から画像信
号を取り込むための回路で、取り込まれた静止画像デー
タはデコーダ３３０４に入力される。

【０１６３】また、入出力インターフェース回路３３０
５は、本表示装置と、外部のコンピュータもしくはコン
ピュータネットワークもしくはプリンターなどの出力装
置とを接続するための回路である。画像データや文字・
図形情報の入出力を行うのはもちろんのこと、場合によ
っては本表示装置の備えるＣＰＵ３３０６と外部との間
で制御信号や数値データの入出力などを行うことも可能
である。

【０１６４】また、画像生成回路３３０７は、前記入出
力インターフェース回路３３０５を介して外部から入力
される画像データや文字・図形情報や、あるいはＣＰＵ
３３０６より出力される画像データや文字・図形情報に
もとずき表示用画像データを生成するための回路であ
る。本回路の内部には、たとえば画像データや文字・図
形情報を蓄積するための書き換え可能メモリーや、文字
コードに対応する画像パターンが記憶されている読み出
し専用メモリーや、画像処理を行うためのプロセッサー
などをはじめとして画像の生成に必要な回路が組み込ま
れている。

【０１６５】本回路により生成された表示用画像データ
は、デコーダ３３０４に出力されるが、場合によっては
前記入出力インターフェース回路３３０５を介して外部
のコンピュータネットワークやプリンターに出力するこ
とも可能である。

【０１６６】また、ＣＰＵ３３０６は、主として本表示
装置の動作制御や、表示画像の生成や選択や編集に関わ
る作業を行う。

【０１６７】たとえば、マルチプレクサ３３０３に制御
信号を出力し、ディスプレイパネルに表示する画像信号
を適宜選択したり組み合わせたりする。また、その際に
は表示する画像信号に応じてディスプレイパネルコント
ローラ３３０２に対して制御信号を発生し、画面表示周
波数や走査方法（たとえばインターレースかノンインタ
ーレースか）や一画面の走査線の数など表示装置の動作
を適宜制御する。

【０１６８】また、前記画像生成回路３３０７に対して
画像データや文字・図形情報を直接出力したり、あるい
は前記入出力インターフェース回路３３０５を介して外
部のコンピュータやメモリーをアクセスして画像データ
や文字・図形情報を入力する。なお、ＣＰＵ３３０６
は、むろんこれ以外の目的の作業にも関わるものであっ
ても良い。たとえば、パーソナルコンピュータやワード
プロセッサなどのように、情報を生成したり処理する機
能に直接関わっても良い。あるいは、前述したように入
出力インターフェース回路３３０５を介して外部のコン
ピュータネットワークと接続し、たとえば数値計算など
の作業を外部機器と協同して行っても良い。

【０１６９】また、入力部３３１４は、前記ＣＰＵ３３
０６に使用者が命令やプログラム、あるいはデータなど
を入力するためのものであり、たとえばキーボードやマ
ウスのほか、ジョイスティック、バーコードリーダー、
音声認識装置など多様な入力機器を用いる事が可能であ
る。

【０１７０】また、デコーダ３３０４は、前記３３０７
ないし３３１３より入力される種々の画像信号を３原色
信号、または輝度信号とＩ信号、Ｑ信号に逆変換するた
めの回路である。なお、同図中に実線で示すように、デ
コーダ３３０４は内部に画像メモリーを備えるのが望ま
しい。これは、たとえばＭＵＳＥ方式をはじめとして、
逆変換するに際して画像メモリーを必要とするようなテ
レビ信号を扱うためである。また、画像メモリーを備え
る事により、静止画の表示が容易になる。また、画像圧
縮された画像信号を受信した場合には所定の方式によっ
て画像信号を伸長する場合にも必要である。あるいは前
記画像生成回路３３０７およびＣＰＵ３３０６と協同し
て画像の間引き、補間、拡大、縮小、合成をはじめとす
る画像処理や編集が容易に行えるようになるという利点
が生まれるからである。

【０１７１】また、マルチプレクサ３３０３は、前記Ｃ
ＰＵ３３０６より入力される制御信号にもとずき、表示
画像を適宜選択するものである。すなわち、マルチプレ
クサ３３０３はデコーダ３３０４から入力される逆変換
された画像信号のうちから所望の画像信号を選択して駆
動回路３３０１に出力する。その場合には、一画面表示
時間内で画像信号を切り替えて選択することにより、い
わゆる多画面テレビのように、一画面を複数の領域に分
けて領域によって異なる画像を表示することも可能であ
る。

【０１７２】また、ディスプレイパネルコントローラ３
３０２は、前記ＣＰＵ３３０６より入力される制御信号
にもとずき駆動回路３３０１の動作を制御するための回
路である。

【０１７３】まず、ディスプレイパネルの基本的な動作
に関わるものとして、たとえばディスプレイパネルの駆
動用電源（図示せず）の動作シーケンスを制御するため
の信号を駆動回路３３０１に対して出力する。また、デ
ィスプレイパネルの駆動方法に関わるものとして、たと
えば画面表示周波数や走査方法（たとえばインターレー
スかノンインターレースか）を制御するための信号を駆
動回路３３０１に対して出力する。

【０１７４】また、場合によっては表示画像の輝度やコ
ントラストや色調やシャープネスといった画質の調整に
関わる制御信号を駆動回路３３０１に対して出力する場
合もある。

【０１７５】また、駆動回路３３０１は、ディスプレイ
パネル３３００に印加する駆動信号を発生するための回
路であり、前記マルチプレクサ３３０３から入力される
画像信号と、前記ディスプレイパネルコントローラ３３
０２より入力される制御信号にもとずいて動作するもの
である。

【０１７６】以上、各部の機能を説明したが、図１８に
例示した構成により、本表示装置においては多様な画像
情報源より入力される画像情報をディスプレイパネル３
３００に表示する事が可能である。すなわち、テレビジ
ョン放送をはじめとする各種の画像信号はデコーダ３３
０４において逆変換・表示可能画像化された後、マルチ
プレクサ３３０３において適宜選択され、駆動回路３３
０１に入力される。一方、デイスプレイコントローラ３
３０２は、表示する画像信号に応じて駆動回路３３０１
の動作を制御するための制御信号を発生する。駆動回路
３３０１は、上記画像信号と制御信号に基づいて、ディ
スプレイパネル３３００に駆動信号を印加する。これに
より、ディスプレイパネル３３００において画像が表示
される。これらの一連の動作は、ＣＰＵ３３０６により
統括的に制御される。

【０１７７】また、本表示装置においては、前記デコー
ダ３３０４に内蔵する画像メモリや、画像生成回路３３
０７および情報の中から選択したものを表示するだけで
なく、表示する画像情報に対して、たとえば拡大、縮
小、回転、移動、エッジ強調、間引き、補間、色変換、
画像の縦横比変換などをはじめとする画像処理や、合
成、消去、接続、入れ換え、はめ込みなどをはじめとす
る画像編集を行う事も可能である。また、本実施例の説
明では特に触れなかったが、上記画像処理や画像編集と
同様に、音声情報に関しても処理や編集を行なうための
専用回路を設けても良い。

【０１７８】したがって、本表示装置は、テレビジョン
放送の表示機器、テレビ会議の端末機器、静止画像およ
び動画像を扱う画像編集機器、コンピュータの端末機
器、ワードプロセッサをはじめとする事務用端末機器、
ゲーム機などの機能を一台で兼ね備えることが可能で、
産業用あるいは民生用として極めて応用範囲が広い。

【０１７９】なお、上記図１８は、表面伝導形放出素子
を電子ビーム源とするディスプレイパネルを用いた表示
装置の構成の一例を示したにすぎず、これのみに限定さ
れるものでない事は言うまでもない。たとえば、図１８
の構成要素のうち使用目的上必要のない機能に関わる回
路は省いても差し支えない。またこれとは逆に、使用目
的によってはさらに構成要素を追加しても良い。たとえ
ば、本表示装置をテレビ電話機として応用する場合に
は、テレビカメラ、音声マイク、照明機、モデムを含む
送受信回路などを構成要素に追加するのが好適である。

【０１８０】本表示装置においては、とりわけ表面伝導
型放出素子を電子ビーム源とするデイスプレイパネルの
薄形化が容易なため、表示装置の奥行きを小さくするこ
とができる。それに加えて、本発明の表面伝導型放出素
子を電子ビーム源とするディスプレイパネルは輝度が高
く、駆動時の安定性の高い表示装置であった。

【０１８１】

【発明の効果】本発明の電子放出素子及び表面伝導型電
子放出素子により以下の効果を奏することができる。（１）電子放出素子の電子放出量、および放出効率を増
大できる。（２）電子放出素子の駆動電圧を下げることができる。（３）動作駆動時の放出電流のノイズや揺らぎを少なく
することができる。

【０１８２】また、本発明の電子放出素子及び表面伝導
型電子放出素子の製造方法により以下の効果を奏し得
る。（４）簡便にダイヤモンド微粒子分散層を形成できる。（５）ダイヤモンド微粒子分散層を均一に形成でき、凝
集も抑えられる。（６）ダイヤモンド微粒子分散層を所望のパターンに簡
便に形成できる。

【０１８３】さらに、本発明の電子源によれば、入力信
号に応じて、複数個配置された表面伝導型電子放出素子
から、任意の電子放出素子の電子放出素子を制御でき
る。

【０１８４】本発明の画像形成装置によれば、電流効率
の良い放出電流で輝度の高い表示が行える。また、動作
駆動時の放出電流のノイズの少ない本発明の電子放出素
子を配置することで、入力信号に応じて複数個配置され
た電子放出素子から任意の電子放出素子の電子放出素子
を制御しうるので、明るく、安定なフラットカラーディ
スプレイが提供できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をの表面伝導型電子放出素子の構成を示
す模式的平面図及び断面図である。

【図２】一般の表面伝導型電子放出素子を示す模式図で
ある。

【図３】本発明の表面伝導型電子放出素子の電子放出部
の拡大図である。

【図４】本発明の適用可能な垂直型表面伝導型電子放出
素子の構成を示す模式図である。

【図５】本発明の表面伝導型電子放出素子の製造方法の
１例を示す模式図である。

【図６】測定評価機能を備えた真空処理装置の一例を示
す模式図である。

【図７】本発明の表面伝導型電子放出素子の放出電流Ｉ
e、素子電流Ｉfと素子電圧Ｖｆの関係の一例を示すグラ
フである。

【図８】本発明の単純マトリクス配置した電子源の一例
を示す模式図である。

【図９】蛍光膜のパターンの例を示す模式図である。

【図１０】本発明をの画像形成装置の表示パネルの一例
を示す模式図である。

【図１１】画像形成装置にＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
応じて表示を行なうための駆動回路の一例を示すブロッ
ク図である。

【図１２】本発明の梯子型配置の電子源の一例を示す模
式図である。

【図１３】図１２の電子源を用いた画像形成装置の表示
パネルの一例を示す模式図である。

【図１４】本発明の実施例９の電子源の一部の平面図で
ある。

【図１５】本発明の実施例９の電子源の一部の断面図で
ある。

【図１６】本発明の実施例９の工程図である。

【図１７】本発明による通電フォーミング時の電子放出
部への印加波形図である。

【図１８】本発明の実施例１０の表示装置のブロック図
である。

【符号の説明】

１基板２素子電極３素子電極４導電性薄膜５導電性薄膜６電子放出部７ダイヤモンド微粒子分散膜８導電性薄膜４１段さ形成部６０素子電極２、３間を流れる素子電流Ｉfを測定す
るための電流計６１電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電
源６２素子の電子放出部６より放出される放出電流Ｉe
を測定するための電流計６３アノード電極６４に電圧を印加するための高圧電
源６４素子の電子放出部より放出される放出電流Ｉeを
捕捉するためのアノード電極６５真空装置６６排気ポンプ８１電子源基板８２Ｘ方向配線８３Ｙ方向配線８４表面伝導型電子放出素子８５結線９１黒色導電材９２蛍光体１０１リアプレート１０２支持枠１０３ガラス基板１０４蛍光膜１０５メタルバック１０６フェースプレート１０７高圧端子１０８外囲器１１１表示パネル１１２走査回路１１３制御回路１１４シフトレジスタ１１５ラインメモリ１１６同期信号分離回路１１７変調信号発生回路１２０電子源基板１２１電子放出素子１２２Ｄx1〜Ｄx10は前記電子放出素子を配線するた
めの共通配線１３０グリッド電極１３１電子が通過するため空孔１３２Ｄox1，Ｄox2，．．．Ｄoxmよりなる容器外端
子１３３グリッド電極１３４電子源基板１５１層間絶縁層１５２素子電極２と下配線８２と電気的接続のための
コンタクトホール１５３ダイヤモンド微粒子分散膜３３００ディスプレイパネル３３０１ディスプレイパネルの駆動回路３３０２ディスプレイコントローラ３３０３マチプレクサ３３０４デコーダ３３０５入出力インターフェース回路３３０６ＣＰＵ３３０７画像生成回路３３０１８、３３０９、３３１０画像メモリーインタ
ーフェース回路３３１１画像入力インターフェース回路３３１２、３３１３ＴＶ信号受信回路３３１４入力部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体上に形成され対向する一対の素子電
極と導電性薄膜、および電子放出部からなる電子放出素
子において、少なくとも前記電子放出部にダイヤモンドを主成分とす
る微粒子を有しており、且つ該ダイヤモンド微粒子と前
記導電性薄膜の界面に金属性炭化物、もしくはグラファ
イト、又は非晶質カーボンのいずれかが接合部として存
在していることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】基体上に形成された対向する一対の素子
電極と導電性薄膜、および電子放出部からなる表面伝導
型電子放出素子において、少なくとも前記電子放出部にダイヤモンドを主成分とす
る微粒子を有しており、且つ該ダイヤモンド微粒子と前
記導電性薄膜の界面に金属性炭化物、もしくはグラファ
イト、および非晶質カーボンのいずれかが接合部として
存在していることを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】請求項１又は２に記載の電子放出素子に
おいて、前記ダイヤモンド微粒子と前記導電性薄膜の界
面の材料の仕事関数が４.６ｅＶ以下であることを特徴
とする電子放出素子。
【請求項４】請求項１又は２に記載の電子放出素子に
おいて、前記導電性薄膜にＴｉが含まれていることを特
徴とする電子放出素子。
【請求項５】入力信号に応じて電子を放出する電子源
であって、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子
放出素子を、基体上に、複数個配置したことを特徴とし
た電子源。
【請求項６】請求項５に記載の電子源において、前記
基体に、複数の前記電子放出素子を複数個並列に配置
し、個々の前記電子放出素子の両端を配線に接続した電
子放出素子の行を複数もち、更に、変調手段を有するこ
とを特徴とする電子源。
【請求項７】請求項６に記載の電子源において、前記
基体に、互いに、電気的に、絶縁されたｍ本のＸ方向配
線とｎ本のＹ方向配線とに、前記電子放出素子の一対の
素子電極とを接続した電子放出素子を複数個配列したこ
とを特徴とする電子源。
【請求項８】入力信号にもとづいて、画像を形成する
画像形成装置であって、少なくとも、画像形成部材と請
求項５乃至７のいずれか１項に記載の電子源とにより構
成されたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項９】請求項８項に記載の画像形成装置におい
て、前記画像形成部材が、蛍光体を備えたことを特徴と
する画像形成装置。
【請求項１０】請求項１乃至４項のいずれか１項に記
載の電子放出素子を作製する際、前記ダイヤモンド微粒
子の形成工程が、前記ダイヤモンド微粒子の分散である
ことを特徴とする電子放出素子の製法。
【請求項１１】請求項１０に記載の電子放出素子の製
法において、前記ダイヤモンド微粒子の形成工程が、前
記電子放出素子のダイヤモンド微粒子分散液中からの引
き上げ工程である特徴とする電子放出素子の製法。
【請求項１２】請求項１１項に記載の電子放出素子の
製法において、前記ダイヤモンド微粒子分散液中からの
引き上げ工程中に超音波処理を有することを特徴とする
電子放出素子の製法。
【請求項１３】請求項１０乃至１２のいずれか１項に
記載の電子放出素子の製法において、前記ダイヤモンド
微粒子分散のパターニングに紫外線照射による高分子の
反応を用いることを特徴とする電子放出素子の製法。
【請求項１４】請求項１０乃至１３のいずれか１項に
記載の電子放出素子の製法において、前記ダイヤモンド
微粒子の形成工程に用いる前記ダイヤモンド微粒子の表
面にあらかじめ金属性炭化物、もしくはグラファイト、
および非晶質カーボンのいずれかが結合していることを
特徴とする電子放出素子の製法。
【請求項１５】請求項１０乃至１４のいずれか１項に
記載の電子放出素子の製法において、前記ダイヤモンド
微粒子層形成工程後に、前記ダイヤモンド微粒子および
前記導電性薄膜に電磁波の照射工程を有することを特徴
とする電子放出素子の製法。
【請求項１６】請求項１０乃至１５項のいずれか１項
に記載の電子放出素子の製法において、前記ダイヤモン
ド微粒子層形成工程の後の工程において水素分圧１０^-6
パスカル以上の雰囲気でアニールする工程を有すること
を特徴とする電子放出素子の製法。
【請求項１７】請求項１０乃至１５項のいずれか１項
に記載の電子放出素子の製法において、前記ダイヤモン
ド微粒子層形成工程の後の工程において水素分圧１０^-7
パスカル以上、１０^-2パスカル以下の雰囲気で電子放出
素子を初期駆動する工程を有することを特徴とする電子
放出素子の製法。
【請求項１８】請求項１０乃至１５項のいずれか１項
に記載の電子放出素子の製法において、前記ダイヤモン
ド微粒子層形成工程の後の工程において前記ダイヤモン
ド微粒子層の表面を水素プラズマ処理することを特徴と
する電子放出素子の製法。