JPH11510307A - 電界電子放出材料および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電界電子放出材料は、導電性基板（１３、１４）と、この上に配置されており、無機電気絶縁材料（１２）（たとえば、ガラス）の層内に埋設あるいは形成してあるかまたはそれによって被覆されている導電性粒子（１１）とを包含する。第１厚さの絶縁材料（１５）が各粒子（１１）と基板（１３、１４）の間に構成され、第２厚さの絶縁材料（１５）が粒子（１１）と材料を配置する環境との間に構成されている。第１、第２の厚さ（１５）間の各粒子の寸法は各厚さ（１５）よりもかなり大きい。充分な電界を適用した際、各厚さ（１５）は導電性チャネルを与え、粒子（１１）からの電子放出を生じさせる。無機電気絶縁材料（１２）を使用することによって、驚くべき良好な安定性、性能を得ることができる。粒子（１１）は比較的小さくて、印刷を含む種々の方法によって非常に安く電子放出材料（１１、１２）を基板（１３、１４）に塗布することができる。この材料はディスプレイ装置、照明装置を含む種々の装置で使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 電界電子放出材料および装置 本発明は、電界電子放出材料およびこのような材料を使用する装置に関する。 従来の電界電子放出では、材料の表面でのたとえば３×１０⁹Ｖｍ^-1の高い電 界が表面電位バリヤの厚みを減らし、量子力学的トンネル作用によって電子が材 料から出ることができるようになる。必要な条件は、巨視的電界を凝縮する原子 鋭点を使用して実現することができる。電界電子放出電流は仕事関数の低い表面 を使用することによってさらに増大させることができる。電界電子放出の測定基 準は周知のファウラー・ノルトハイム方程式で記述される。 チップ・ベースド・エミッタに関してはかなりの従来技術がある。このチッブ ・ベースド・エミッタという用語は、鋭点（チップ）からの電界電子放出を利用 する電子エミッタおよび電子放出アレイを意味している。この技術分野での研究 者の主目的は、各単一の電子放出チップから１μｍ未満離れたアパーチャ（ゲー ト）を持つ電極を設置し、１００Ｖ以下の電位を印加して必要な高電界を得るこ とができるようにすることであった。このようなエミッタはゲート・アレイと呼 ばれている。この最初の実現内容はカリフォルニア州のStanford Rcsearch Inst ituteに勤務するC A Spindtによって説明された（J．Appl．Phys．39(7)，3504- 3550，1968）。Spindtのアレイはモリブデン製電子放出チップを用いており、こ れらのチップはセルフマスキング技術を用いてSi基板上のSiO₂層に設けた円筒形 のくぼみ内へ金属を真空蒸着させることによって作られている。 １９７０年代においで、同様の構造を製作する別の方法が提案され、これは指 向性凝固共晶合金（ＤＳＥ）を用いている。ＤＳＥ合金では、１つの相が他方の 相のマトリックス内の整列繊維の形をしている。マトリックスをエッチングして 繊維を突出した状態で残すことができる。エッチングの後、絶 縁層、導電層を真空蒸着することによってゲート構造を作り出す。チップ上の蒸 着材料の蓄積がマスクとして作用し、突出する繊維のまわりに環状のギャップを 残す。 以下、従来技術を添付図面の第１、２図を参照しながらさらに説明する。第１ 図は１つの電界電子放出ディスプレイの基本的なコンポーネントを示し、第２図 は別の電界電子放出ディスプレイの概念的な配置を示している。 重要な方法はシリコン・ミクロ・エンジニアリングを用いてゲート・アレイを 製作することである。この技術を利用する電界電子放出ディスプレイは現時点で 製造されており、世界中の多くの組織によって興味を持たれている。第１図はこ のようなディスプレイの基本的なコンポーネントを示している。このディスプレ イでは、電界電子放出電流はゲート電極２に正の電位を印加することによって点 １から抽出される。抽出された電子は、より高い正の電位によって、フロントプ レート上の導電ストリップ３のパターン化された蛍光体に向かって加速される。 クロスバー配置にある水平、垂直ストライプを付勢することによってピクセルが アドレス指定される。この装置は周縁まわりをシールされ、排気される。 すべてのポイント・ベースの電子放出システムに伴う主要な問題は、イオン・ ボンバードメントによる損傷、大電流でのオーム加熱、装置内の絶縁破壊によっ て生じる破局的な損傷に対して無防備であるということである。大きな面積の装 置を作るのは難しいし、高価となる。 ほぼ１９８５年において、ダイアモンドの薄膜を水素・メタン雰囲気から加熱 基板上で成長させて面積の広い電界エミッタを得られることがわかった。 １９９１年には、Wang等（Electron．Lett.，1991，27，PP 1459-1461）によ って、電界電子放出電流が３ MV m^-1もの低い電界で大面積ダイアモンド膜から 得ることができることが報告された。この性能は、（１１１個の）ダイアモンド ・ファセットの負電子親和性と局在化偶発性グラファイト包含物の高密度との組 合せによるものと考えられる（Xu，Latham and Tzeng; Electron，Lett．1993， 29，pp 1596-159）。 現在、レーザ切断技術、イオン・ビーム技術を用いて室温基板上に高ダイアモ ンド含有量のコーティングを成長させることができる。しかしながら、これらす べての方法を高価な機器を利用する。 USAのS I Diamondが、非晶ダイアモンドと呼ばれる材料を電子源として使用す る電界電子放出ディスプレイ（ＦＥＤ）を提案している。ダイアモンド被覆技術 は、University of Texasからライセンスを受けている。この材料は基板上でグ ラファイトのレーザ切断を行うことによって製造される。第２図はこのようなデ ィスプレイにおける概念的な配置を示している。基板４は非晶ダイアモンド電子 放出パッチ６を持つ導電性ストリップ５を有する。フロントプレート８は蛍光体 パターン（図示せず）を塗布した透明な導電性トラック７を有する。ピクセルは クロスバー法を用いてアドレス指定される。負のゴーイング波形９が導電性スト リップ５に与えられ、正のゴーイング波形が導電性ストリップ７に与えられる。 正負のゴーイング波形の両方を使用することにより駆動電子機器内の半導体のた めのピーク電圧レイティングが低下し、隣接のピクセルが確実に付勢されないこ とになる。装置は周縁まわりをシールされ、排気される。 以下、複合電界エミッタに目を転じると、金属表面からの電界電子放出につい ての現在の理解では、活性サイトは埋設誘電粒子によって形成される金属・絶縁 体・真空（ＭＩＶ）構造か、あるいは、金属の表面酸化物上に着座している導電 性フレークである。いずれにしても、電流は電子を加速するホット電子プロセス から来るものであり、準熱電子放出となる。このことは科学文献（たとえば、La tham，High Voltage Vacuum Insulation，Academic Press 1995）に記載されて いる。 １９８８年に（S Bajic and R V Latham J．Appl．Phys．21（1988）200204） 、上記メカニズムを実際に使用して作られた材料が提案された。この複合材料は 高密度の金属・絶縁体・金属・絶縁体・真空（ＭＩＭＩＶ）放出サイトを作り出 す。この複合材料はエポキシ樹脂内に分散した導電性粒子を有する。コーティン グが標準のスピン・コーティング技術によって表面に塗布されている。 放出プロセスは以下のように生じると考えられる。まず、エポキシ樹脂は粒子 と基板との間にブロッキング・コンタクトを形成する。１つの粒子の電圧はそれ が探る最高等電位の電位まで上昇することになる。これはアンテナ効果と呼ばれ ている。或る印加電圧で、これは充分に高くなり、粒子と基板の間に電鋳導電性 チャネルを作り出すことになる。次に、粒子の電位がカソードの電位に向かって 急速にはじけ飛ぶ。粒子上の残留電荷が、次に、高電界を生じさせ、これが第２ の電鋳チャネルおよびそれに組み合ったＭＩＶホット電子放出サイトを作り出す 。このスイッチ・オン・プロセス後、このサイトから可逆性電界放出電流を引き 出すことができる。この材料の電流密度／電界性能はかなり高価なレーザ切断プ ロセスによって製造された大面積ダイアモンド・エミッタと同等である。 Bajic and Lathamは樹脂・カーボン複合材料を取り扱った。彼らは代替材料の 使用を考えていたが、常に、樹脂を含む複合材料であった（Supra and Ins Phys Conf Ser No.99; Section 4 - pp 101-104，1989）。特に接着性の鑑みて取り 扱いに便利なエポキシ樹脂系の材料が複合構造あるいは層状構造の所望サイトに 粒子を置き、保持するのに便利である。しかしながら、Bajic and Lathamによっ て作られたような材料は安定性に劣り、密封真空装置においてうまく作動しない 傾向があった。 本発明の好ましい実施例は、コスト効率の良い大面積電界電子放出材料および このような材料を利用する装置を提供することを目的としている。この材料は、 電界電子放出ディスプレイ・パネル；電子ＭＡＳＥＲＳおよびジャイロトロンの ような強力パルス装置；ＣＦＡのような交差式電界マイクロウェーブ・チューブ ；クリストロンのようなリニア・ビーム・チューブ；フラッシュＸ線チューブ； トリガ式スパーク・ギャップおよび関連装置；滅菌用大面積Ｘ線源；真空ゲージ ；宇宙船用イオン・スラスタ；粒子加速器；オゾナイザ；プラズマ・リアクタを 含む装置で使用できる。 本発明の一特徴によれば、電界電子放出材料は導電性基板とその上に配置した 少なくとも１つの導電性粒子とを包含し、この導電性粒子は電気絶縁性無機材料 の層に埋設され、その中に形成され、それによって被覆されていて 、粒子と基板の間に第１厚さの絶縁材料と、粒子と材料を配置した環境との間に 第２厚さの絶縁材料とを構成し、前記両厚さ間の前記粒子の寸法は前記各厚さよ りもかなり大きい。 ここで用いる「かなり大きい」という用語は、前記粒子の前記寸法が少なくと も前記各厚さの二倍であることを意味している。 無機の電気絶縁性材料の使用は予期しない利点をもたらした。この材料は、エ ポキシ樹脂のような材料と比較して比較的取り扱いが難しいので、本文脈では当 然絶縁材とは言わないが、本発明の好ましい実施例では、驚くべき良好な安定性 、性能の電子放出材料が無機電気絶縁性材料内の導電性粒子を用いることによっ て得られている。 前記粒子の前記寸法が前記各厚さよりも少なくとも１０倍大きいと好ましい。 前記粒子の前記寸法が前記各厚さよりも少なくとも１００倍大きいと好ましい 。 好ましい実施例において、前記厚さは１００Åのオーダーであり、前記粒子寸 法が１００μｍのオーダーである。 こうして、各々が０．１μｍ〜４００μｍの範囲の最大寸法を有する前記導電 性粒子の実質的に単一の層を得ることができる。 前記無機電気絶縁性材料はダイアモンド以外の材料からなると好ましい。 前記無機電気絶縁性材料としては、ガラス、鉛ガラス、ガラス・セラミック、 溶融ガラスその他のガラス質材料、セラミック、酸化セラミック、酸化表面、窒 化物、窒化表面または硼化セラミックであると好ましい。 前記無機電気絶縁材料は実質的に非ドープのダイアモンドであってもよい。 実質的に非ドープのダイアモンドというのは、電流の通過を容易にするために 意図的なドーピングを行っていないダイアモンドを意味する。 上記の電界電子放出材料は、優先的に基板に対してほぼ直角な最大寸法を持っ て整列させた複数の前記導電性粒子を包含してもよい。 上記の電界電子放出材料は、最大寸法の５倍から１５倍の範囲で相互に隔 たった複数の導電性粒子を包含してもよい。 上記の電界電子放出材料は、前記無機電気絶縁材料の層が電気絶縁性マトリッ クスを包含し、複数の前記導電性粒子が前記電気絶縁性マトリックス内に実質的 に支持された導電性繊維のアレイとして設けてあり、繊維の露出端が電気絶縁性 マトリックスと実質的に同一平面にあり、繊維露出端および同一平面のマトリッ クスが電気絶縁性下層で実質的に覆われている構造を包含し得る。 この構造は導電性媒体によって前記導電性基板に接合してもよい。 繊維が、１μｍ〜２ｍｍの長さと、０．５μｍ〜１００μｍの範囲の直径を有 すると好ましい。 繊維相互間隔は繊維長の５〜１５倍の範囲にあると好ましい。 繊維アレイは指向性凝固共晶材料のスライスから形成することができる。 前記電気絶縁性下層のそれぞれが前記構造の２つの反対向きの面の各々に設け てあると好ましい。 各電気絶縁性下層の厚さが５０Å〜２μｍの範囲にあると好ましい。 電気絶縁性下層は、ガラス、ガラス・セラミック、セラミック、酸化セラミッ ク、窒化物、硼化セラミックまたはダイアモンドからなるものでよい。 導電性粒子の導電性は、粒子を通過する放出電流によって生じる電位低下が充 分であって、放出電流を制御する量だけ粒子の放出点で電界を低下させるような ものであると好ましい。 前記粒子あるいは前記粒子の少なくともいくつかは、シリコン、カーバイド、 タンタル、ハフニウム・カーバイド、ジルコニウム・カーバイド、チタンのMagn eli sub-oxides、半導性シリコン、III−Ｖ化合物、II−ＶＩ化合物からなる。 本発明の別の特徴によれば、本発明の先の特徴のうちの任意のものによる電界 電子放出材料を形成する方法であって、各導電性粒子を前記導電性基板上に配置 し、前記各導電性粒子が前記無機電気絶縁性材料層内に埋設され、その中に形成 され、それによって被覆されていることを特徴とする方法を得ることができる。 前記導電性粒子（単数または複数）または無機電気絶縁性材料あるいはこれら 両方は印刷法によって前記導電性基板に塗布されると好ましい。 上記の方法は、大小の粒子の混合物を相互に焼結あるいは結合する段階を包含 し、大きい粒子が複数の前記導電性粒子からなり、小さい粒子が前記無機電気絶 縁材料層を形成してもよい。電気絶縁性材料はガラス・セラミック、セラミック 、酸化セラミック、窒化物、硼化物あるいはダイアモンドであってもよい。 上記の方法は、基板に順次に電気絶縁性膜、導電性粒子層、別の電気絶縁性膜 を塗布する段階を包含してもよい。電気絶縁性材料はセラミック、酸化セラミッ ク、酸化物、窒化物、硼化物あるいはダイアモンドであってもよい。 上記方法は、複数の前記導電性粒子の各々に直接電気絶縁性コーディングを塗 布し、ガラス質材料またはろう付け材料によって被覆粒子を基板に固定する段階 を包含してもよい。電気絶縁性材料はガラス、ガラス・セラミック、セラミック 、酸化セラミック、酸化物、窒化物、硼化物またはダイアモンドであってもよい 。 前記無機電気絶縁材料層は多孔質絶縁物からなり、前記方法が多孔質絶縁物の 細孔を導電性材料で充填し複数の前記導電性粒子を得る段階を包含してもよい。 上記方法は、前記多孔質絶縁物の両面に２つの無機電気絶縁材料の外側下層を 形成し、前記多孔質絶縁物が前記２つの無機電気絶縁材料の外側下層間に中間下 層を包含するようにした段階を包含してもよい。 本発明は上記方法のうちの任意の方法によって製造した電界電子放出材料にも 敷延する。 本発明のさらに別の特徴によれば、本発明の先の特徴のうちの任意の特徴によ る電界電子放出材料からなる電界電子放出装置を得ることができる。 上記の電界電子放出装置は、前記電界電子放出材料からなるエミッタ・パッチ のアレイを備えた基板と、整列アパーチャ・アレイを備えた制御電極とを包含し 、この電極が絶縁層によってエミッタ・パッチ上方に支持されてい るものとすることができる。 上記の電界電子放出装置は、プラズマ・リアクタ、コロナ放電装置、無音放電 装置あるいはオゾナイザであってもよい。 上記電界電子放出装置は、電子源、電子ガン、電子装置、Ｘ線チューブ、真空 ゲージ、ガス充填装置あるいはイオン・スラスタであってもよい。 電界電子放出材料はこの装置の動作のための全電流を供給し得る。 電界電子放出材料はこの装置のための出発電流、トリガ電流あるいは起動電流 を供給し得る。 上記電界電子放出装置はディスプレイ装置であってもよい。 上記電界電子放出装置はランプであってもよい。 このランプは実質的に扁平であると好ましい。 電界電子放出材料は使用時に抵抗器を経て印加カソード電圧に接続されるパッ チの形で塗布してもよい。 前記抵抗器は各放出パッチの下で抵抗パッドとして適用される。 前記抵抗パッドのそれぞれは各放出パッチの下に設け、各抵抗パッドの面積が それぞれの放出パッチの面積よりも大きいようにしてもよい。 前記放出材料または蛍光体あるいはこれら両方が１つまたはそれ以上の一次元 導電性トラック・アレイの上に被覆されており、これらの導電性トラックが電子 駆動手段によってアドレス指定されてスキャニング照明ラインを生成するように 配置してあると好ましい。 このような電界電子放出装置は前記電子駆動手段を内蔵してもよい。 環境はガス、液体、固体あるいは真空であってもよい。 上記の電界電子放出装置はゲッタリング材料を含んでいてもよい。 このゲッタリング材料はあノードに取り付けてあると好ましい。 前記ゲッタリング材料はカソードに取り付けてあってもよい。電界電子放出材 料がパッチとして配置してある場合、前記ゲッタリング材料は前記パッチ内に配 置するとよい。 本発明のさらに別の特徴によれば、アノードと、カソードと、これらアノード 、カソード上のスペーサ・サイトと、これらスペーサ・サイトの少なく ともいくつかに設けてあって前記カソードから前記アノードを隔離しているスペ ーサと、前記スペーサ・サイトの残りのものに設けたゲッタリング材料とを包含 する電界電子放出装置を得ることができる。 本明細書の文脈において、「スペーサ・サイト」なる用語は、アノードをカソ ードから隔離するようにスペーサを設置するのに適したサイトを意味し、スペー サがそのスペーサ・サイトに位置しているかどうかは関係ない。 前記スペーサ・サイトは規則的あるいは周期的な相互間隔にあると好ましい。 上記の電界電子放出ディスプレイにおいて、前記カソードはオプションとして 透明であり、このカソードから放出された電子がアノードに衝突してアノードの ところに電界ルミネセンスを生じさせるようにアノードに対して配置してあり、 この電界ルミネセンスがオプションとして透明なカソードを通して見えるもので あってもよい。 明らかなように、電気的な用語としての「導電」および「絶縁」は測定基準に 応じて相対的なものであり得る。半導体は有効な導電性を有し、実際、本発明で は、導電性粒子として使用することができる。本明細書の文脈では、各導電性粒 子は無機電気絶縁材料の導電率の少なくとも１０²倍（好ましくは、少なくとも １０³または１０⁴倍）の導電率を持つ。 本明細書の文脈では、「無機電気絶縁材料」なる用語は、有機不純物を含む無 機材料を含み、特に、薄膜ダイアモンドを含む。 本発明をより良く理解して貴うと共に、本発明の実施例をどのように実施得る かを示すために、以下、添付図面の第３図から第１３図を説明する。 第３ａ図は、改良した電界電子放出材料の一例を示している。 第３ｂ図は、第３ａ図のものの代わりの材料を示している。 第４図は、改良した電界電子放出材料を用いているゲート・アレイを示してい る。 第５図は、改良した電界電子放出材料を製造する別の方法における諸段階を示 している。 第６ａ図は、被覆した導電性粒子を示している。 第６ｂ図は、第６ａ図に示す被覆導電性粒子を用いる改良電界電子放出材料の 一例を示す。 第６ｃ図は、第６ａ図に示す被覆導電性粒子を用いる改良電界電子放出材料の 別の例を示す。 第７ａ図は、改良した電界電子放出材料を用いる電界電子放出ディスプレイを 示す。 第７ｂ、７ｃ図は、第７ａ図のディスプレイの部分の変形例を示す詳細図であ る。 第８ａ図は、改良電界電子放出材料を用いる扁平ランプを示し、第８ｂ図は、 その詳細を示す。 第９図は、改良電界電子放出材料を製造する別の方法を示す。 第１０ａ図は、本発明の別の高性能実施例を示す。 第１０ｂ図は、第１０ａ図の実施例の詳細を示す。 第１１図は、第１０ａ図および第１０ｂ図の実施例の変形例を示す。 第１２ａ図は、導電性粒子における自己緩衝効果を示す。 第１２ｂ図は、グラファイト製、シリコン・カーバイド製のパッチを備えたエ ミッタの測定電圧・電流特性を示す。 第１３図は、制御電極を備えた三極管システムを利用するカラー・ディスプレ イにおける２つのピクセルを示す。 第１４図は、スペーサをゲッタリング材料に代えたディスプレイを示す。 第１５図は、ゲッター・パッチをエミッタ・パッチ内に配置したディスプレイ を示す。 第１６図は、ＭＩＭＶエミッタを作るのに用いるゲッター・パッチを示す。 第１７ａ図および第１７ｂ図は、それぞれ、多孔性絶縁層を備えた構造を製造 する方法を示している。 第１８図は、エミッタ層を通る光出力を備えた高変換効率電界放出ランプを示 す。 第１９図は、ゲート・エミッタ間隔を縮小した電極システムのサブピクセ ルを示す。 本発明の図示実施例は性能および使用適性を改良したＭＩＭＩＶ放出プロセス に基づいた材料とそれを使用する装置と共に示している。 電気形成チャネルにおける加熱効果はＭＩＶおよびＭＩＭＩＶエミッタから利 用できる平均電流を制限する。さらに、温度の増大は材料を劣化させ、その性能 を変え、不安定性または破局的な故障を生じさせる。 チャネル（ΔＴ）における温度上昇は以下の式で説明できる。 ΔＴ＝２β₂Ｅ_oＩ／πＫε_rｌｏｇ（ｌ／ａ） ここで、β₂はチャネルの幾何学的形状による電界増加因数；Ｅ_oはギャップ電界 ；Ｉはチャネル内を流れる電流；Ｋは媒体の熱伝導率；ε_rは媒体の誘電率；ａ はチャネルの半径；ｌはチャネルの長さである。 第３ａ図は、導電性基板１３上のガラス等の無機マトリックス１２内に導電性 粒子１１を備える改良材料を示している。この構造は、マトリックス１２の熱伝 導率を、従来の材料に比べて約４倍増大させる。同等に重要なのは、無機マトリ ックスの熱安定性の向上である。これら２つのファクタが組み合って、チャネル 加熱が不安定性すなわち故障を生じさせる前にかなり高い電流を供給することが できる材料を作り出す。無機マトリックスは、また、高蒸気圧有機材料を排除し 、封じ込み真空装置でのこの材料の使用を可能とする。絶縁基板１３のために、 導電層１４がコーティング前に塗布される。この導電層１４は種々の手段で塗布 できる。限定するつもりはないが、このような手段としては、真空・プラズマ・ コーティング法、電気めっき法、電極なしめっき法およびインクベース法がある 。 電気形成チャネルをスイッチ・オンするのに必要な静止電界は、粒子高さ１６ と、導電性チャネル１５の領域におけるマトリックスの厚さとの比によって決ま る。最小限のスイッチオン電界を得るには、導電性チャネルのところでのマトリ ックス１２の厚さは粒子高さよりもかなり小さくなければならない。導電性粒子 は、代表的には、といってこれに限定するつもりはないが、０．１μｍ〜４００ μｍの範囲にあり、好ましくはサイズ分布が狭いとよい。 この形態の構造は、かなり小さい絶縁性粒子５１と大きい導電性粒子５０と混 ぜた混合物を焼結することによって作ることができる（第３ｂ図）。適当な絶縁 材料の例としては、ガラス・セラミック、酸化セラミック、窒化物、硼化物があ るが、広範囲にわたる他の材料も使用し得る。大電流用途の場合、高熱伝導率材 料、たとえば、酸化ベリリウムや窒化アルミニウムを用いて性能を向上させても よい。 この構造は、また、流動性の良好なガラス、たとえば鉛ガラスを粒子と一緒に 溶融させることによっても作ることができる。このような構造が第３ａ図に示し てある。ガラス質材料を用いて、焼成中に時間／温度分布を変えることによって チャネル領域の厚さを制御してもよい。 材料を制御しながら塗布できるようにするために、ハイブリッド電子回路のた めに使用される材料に類似する、非残留バインダを含む材料として作ってもよい 。このようなバインダは感光性であり、写真印刷によってパターン生成すること ができるものであってもよい。このように調製したインクを用いて、スクリーン 印刷のようなハイブリッド微小回路技術を用いてエミッタをパターンとして塗布 してもよい。別の塗布方法として、といって限定するつもりはないが、オフセッ ト印刷、インクジェット印刷、静電塗装（オプションとしてフォトレジスト一緒 に）、ゼログラフィー、はけ塗り、電気泳動、プラズマ溶射、フレーム溶射、沈 殿法がある。こうして、電界電子放出材料を適当な基板に印刷することができ、 ディスプレイなどの経済的な製作の新しい機会を開くことができる。 １つの適当なインクは、スピンオン・ガラス材料、粒子（オプションとしてサ イズ分布の狭い粒子）、分散剤、バインダの混合物から作ることができる。この ようなスピンオン・ガラス材料は、代表的には、ポリシロキサン類に基づくもの であり、半導体工業では広く用いられている。しかしながら、他の化学配合物に 基づくスピンオン・ガラスも使用できる。 第５図は所望構造を製造する別の方法を示している。絶縁性基板をオーバーコ ーティングすることによって製造できる導電性基板２４に絶縁膜２５が付着して ある。このような膜は、限定するつもりはないが、真空ベース・コ ーティング、プラズマ・ベース・コーティング、スピン・コーティングおよび化 学反応あるいは陽極プロセスによる現場成長によって製造できる。導電性粒子２ ６を、次に、乾燥コーティング技術によって絶縁膜２５上に一枚の層として付着 させる。この乾燥コーティング技術としては、限定するつもりはないが、静電塗 装、ゼログラフィー、はけ塗りがある。この段階中に、静電界あるいは磁界を用 いて粒子を整列させ、最適な電界強化を行うことができる。次に、代表的には真 空ベース・プロセスあるいはプラズマ・ベース・プロセスによって粒子を覆って 絶縁コーティング２７を溶着させる。 第６ａ図は、真空ベース・コーティング、プラズマ・ベース・コーティング、 化学蒸着、陽極プロセスを含む方法によって絶縁膜２９で予め被覆した導電性粒 子２８を示している。次に、複数のこのような被覆粒子３０を、第６ａ図に示す ように、ガラス質材料またはろう付け合金３２によって基板３１に固定する。許 容できる材料の例としては、鉛ガラス、Zr-Cu 共晶材のような反応性ろう付け合 金がある。 第６ｂ図に示す別の材料において、複数の被覆粒子３０が基板３１に直接固定 してある。この場合、絶縁膜２８は基板３１に直接固定するのに適した材料、た とえば、ガラスである。 第９図は、基板を最初に絶縁膜７１で被覆する別の方法を示している。かなり 厚い多孔性絶縁膜７２を次に塗布する。次に、化学反応、電気めっきまたは別の 方法によって細孔内へ導電材料７３を染み込ませる。最後に、第２の薄い絶縁膜 ７４を塗布する。 本発明の上記の実施例すべてにおいて、所与の粒子のチップで電界をスクリー ニングする最近接粒子を阻止する導電性粒子の最適密度がある。球形の粒子の場 合、最適な粒子間隔は粒子直径の約１０倍である。 第３ａ図に示すような意図的に処理した構造は薄膜ダイアモンド内の比較的小 さく、ランダムに生じたグラファイト包含物についてのかなりの改良である。重 要な特徴は、粒子高さ１６対絶縁体バリヤ厚さ１５の比がダイアモンド膜におけ る比よりもかなり大きいということである。その結果、アンテナ効果が向上して スイッチオン電界をかなり低減する。 放出サイトの一様なスイッチオンを容易にするために、対称的な粒子、たとえ ば、粗く切り刻んだ立方形の粒子が好ましい。 あるいは、カーボン繊維あるいは細いワイヤのような精密繊維を直径よりもい くぶん長い長さに細断してもよい。これらの繊維セグメントは横になり（特にス ピン・コーティング中）、繊維軸線が基板に対して平行になり、繊維の直径がア ンテナ効果を決定する傾向がある。 組成ではなくて正しい形態学の粒子（たとえば、ガラス微小球）をスパッタリ ングを含む広範囲にわたる方法によって適当な材料でオーバーコーティングして もよい。 本発明の好ましい実施例の主目的は、低コスト、高生産性で放出材料を製造す ることにある。しかしながら、コストにそれほど厳しくない用途では、達成し得 る非常に高い熱伝導率は、絶縁体としてダイアモンドを使用して意図的に処理し た構造が電鋳チャネルの破局的な故障の前に最高の平均電流を給送できる材料を 提供することができることを意味する。 第４図は、改良した電界電子放出材料の１つを使用するゲート・アレイを示し ている。エミッタ・パッチ１９が基板１７上に形成してあり、この基板上には、 必要に応じて、スクリーン印刷のような方法によって導電層１８が付着してある 。多孔性制御電極またはゲート電極２１は層２０によって基板１７から絶縁され ている。代表的な寸法はエミッタ・パッチ直径（２３）１００μｍであり、ゲー ト電極・基板間隔（２２）２０μｍである。ゲート電極２１にかかる正電圧はエ ミッタ・パッチ１９からの電子の抽出を制御する。電子５３はより高い電圧５４ によって装置５２内へ加速される。電界電子放出電流は、広範囲にわたる装置、 たとえば、電界電子放出ディスプレイ・パネル、強力パルス装置（たとえば、電 子ＭＡＳＥＲＳ）、ジャイロトロン、交差電界マイクロ波チューブ（たとえば、 ＣＦΛ）、クリストロンのようなリニア・ビーム・チューブ、フラッシュＸ線チ ューブ、トリガ・スパーク・ギャップおよび関連装置、滅菌用大面積Ｘ線源、真 空ゲージ、宇宙船用イオン・スラスタ、粒子加速器で使用できる。 ＭＩＶプロセスが数電子ボルトのエネルギで電子を放出することは公知で ある。固体内でのこのような電子の平均自由経路は驚くべき程長い。したがって 、エミッタ材料が表面に付着させた薄い（たとえば、１０００Å未満）導電層で あり、基板に対して正の数百ボルトバイアスされる場合、ＭＩＭＩＶプロセスが 生じることになる。このような薄い導電層の場合、放出電子の大部分は導電層を 通過して環境に出て行くことになる。このような導電層は、広範囲にわたる装置 において制御電極として使用して放出電流を調整することができる。この導電層 は本発明の多くの実施例で使用できる。 本発明の別の高性能実施例が第１０ａ図、第１０ｂ図に示してある。繊維８０ の規則正しいアレイが絶縁マトリックス８１内に埋設してある。繊維の長さは、 代表的には、数百ミクロンである。このような構造は、作ることもできるし、指 向性凝固セラミック・金属共晶系に自然に見出すことができる。繊維間隔（８２ ）は、代表的には、繊維長の数倍である。 このように形成した複合材をスライスに切断し、スライスの各面を研磨すると 好ましい（といっても、これはオプションである）。次に、研磨した両面を制御 した厚さ（代表的には、約１００Å）の無機電気絶縁膜８３で被覆する。この膜 ８３は、限定するつもりはないが、ガラス、ガラス・セラミック、セラミック、 酸化セラミック、窒化物、硼化セラミックあるいはダイアモンドであってもよく 、真空コーティング、イオン・ビーム処理、化学蒸着、レーザ切断その他の適当 な方法で付着してもよい。 このように形成したサンドイッチ構造を、次に、導電層８４を使用して基板８ ５へ接合する。この接合は活性金属ろう付け合金を用いて行うことができる。あ るいは、接合すべき表面を非反応合金を用いてろう付けの前に金属化してもよい 。 アレイは、装置のためのすべての電流を提供でき、プラズマ・プロセスのため のトリガ（たとえば、スパーク・ギャップ）として作用でき、二次放出倍増を使 用するソース（たとえば、マグネトロン射出ガン）のための起動電流を提供する ことができる。 第１０ａ、１０ｂ図の材料を非真空環境で使用する場合、絶縁材料８１は比較 的低級な材料、たとえば、絶縁膜８３が無機材料で作ってある場合には 繊維８０を支持するだけの安価な樹脂から作ってあってもよい。 第１１図の変形例において、繊維９０は絶縁材料８１のレベルより高く突出し 、無機絶縁材料の膜９１で覆われる。他のすべての点では、この実施例は第１０ ａ、１０ｂ図を参照しながら先に説明した実施例とほぼ同様である。 第７図は、上記の材料のうちの１つ、たとえば、第９図の材料を用いてダイオ ード構造に基づく電界放出を示している。基板３３は材料の放出パッチ３５を支 持する導電性トラック３４を有する。フロントプレート３８はトラック３４を横 切って延びる透明な導電性トラック３９を有する。トラック３９は蛍光パッチあ るいは蛍光ストライプを有する。２つのプレートは外側リング３６とスペーサ４ ３とによって隔離されている。この構造はソルダーガラスのような材料３７でシ ールされる。装置は、ポンピング・チューブによって、あるいは、真空炉内でソ ルダーガラスを融解させることによって抽気される。 ピクセルはクロスバー式に印加される電圧４１、４２によってアドレス指定さ れる。電界放出された電子は蛍光パッチを励起する。正負のゴーイング波形から なる駆動装置が駆動電子機器における半導体のためのピーク電圧レイティングを 低下させ、隣接のピクセルが確実に励起されないようにする。ピクセルをオンに するのに必要な電圧スイングをさらに縮小するために、各電極を電界電子放出電 流がかなりな値になる値のすぐ下の値までＤＣバイアスしてもよい。次に、パル ス波形をＤＣバイアスに重畳して各ピクセルをオンにする。それ故、電圧エクス カーションは半導体装置の能力範囲内にある。 ダイオード構造に対する別の方法としては、制御電圧を備えた三極管システム を利用する方法がある。第１３図は、カラー・ディスプレイにおける２つのピク セルを示し、この方法の一実施例を示している。描画を簡略化するために、２つ のピクセルしか示していないが、図示の基本的構造はスケールアップして多くの ピクセルを備えた大型ディスプレイとしてもよい。カソード基板１２０は表面に 被覆した導電性トラック１２１を有し、ディスプレイ において各ラインをアドレス指定するようになっている。このようなトラックは 、この技術分野では周知の標準の印刷技術と一緒に真空コーティング技術を用い て付着することができる。たとえば、導電性インクを用いて印刷したり、その他 多くの適当な技術を使用し得る。上述した放出材料のパッチ１２２が、先に説明 した方法を用いて、トラックの表面に付着させてあり、レッド・グリーン・ブル ー・トライアッドでサブピクセルを構成している。寸法「Ｐ」１２９は、代表的 には、２００μｍ（ミクロメータ）から７００μｍの範囲にあるが、これに限定 するつもりはない。あるいは、あまり望ましくはないが、放出材料を全ディスプ レイ領域に被覆してもよい。絶縁層１２３が導電性トラック１２１の頂面に形成 してある。絶縁層１２３は多孔性としてあり、１ピクセル１２４あたり１つまた はそれ以上のアパーチャがあって放出材料面を露出させている。これらのアパー チャは印刷技術あるいは他の写真印刷技術によって作る。導電性トラック１２５ が絶縁体の表面に形成してあり、カラー・トリアッドにおける各ラインに対して １つのグリッド電極を構成している。アパーチャ１２４の寸法および絶縁体１２ ３の厚さは、このように製造した三極管システムのための所望のトランスコンダ クタンス値を得るように選ぶ。ディスプレイのアノード・プレート１２６が絶縁 スペーサ１２８上に支持されている。このようなスペーサは、印刷によって表面 に形成してもよいし、予め製作していて所定位置に設置してもよい。機械的な安 定性のために、前記予め製作するスペーサを十字構造で作ってもよい。ガラス・ フリットのようなギャップ充填材料を用いて各端でスペーサを所定位置に固定す ると共に、任意の寸法上の不規則性を補正してもよい。レッド、グリーン、ブル ーの蛍光パッチあるいはストライプ１２７をアノード・プレートの内面に配置す る。蛍光体は陰極線チューブでは普通である薄い導電膜で被覆するか、加速電圧 がより低い場合には、アノード・プレートの内面に透明導電層を付着させる。こ の透明な導電層はインジウム・スズ酸化物であってもよいが、これに限定はしな い。カソード・プレートとアノード・プレートの間の内部空間は抽気し、シール する。 導電ストリップ１２１とアノード上の導電膜との間にＤＣバイアスが印加 される。こうして生じた電界はグリッド・アパーチャ１２４に侵入し、先に述べ たＭＩＭＩＶ電界放出プロセスからの電界放出によって表面から電子を放出させ る。ＤＣ電圧は完全放出に必要な電圧よりも低く設定し、それによって、トラッ ク１２１の１つを他のトラックに関して負にパルス化してピーク輝度のための電 流を与える値にすることによってラインをアドレス指定することができる。グリ ッド・トラック１２５はエミッタ材料に関して負にバイアスされて、トラック１ ２１が負のパルス化状態（ラインアドレス指定）状態にあるときに電流を最低レ ベルまで低下させる。ライン・ピリオッド中、すべてのグリッド・トラックは、 所望の電流を与え、したがって、所望のピクセル輝度を与える値まで確実にパル スアップされる。明らかに、他の駆動構造も使用できる。 駆動電子機器のコストを最小限に抑えるために、数十ボルトのゲート電圧スイ ングが必要である。この仕様に合わせるために、第１３図に示すゲート電極構造 のアパーチャは非常に小さくなる。円形のアパーチャの場合、サブピクセル当た り多くの放出セルが生じる。このような小さい構造のための別の構成は小さい放 出セルを引き伸ばして形成したスロットである。 第１９図は、このような電極装置の１つのサブピクセルを示している、ここで は、ゲート対エミッタの間隔１８０は数ミクロメータまで縮小されている。ゲー ト１８１と絶縁層１８２にはスロット１８３が設けてあり、放出材料を露出させ ている。 カラー・ディスプレイを説明してきたが、当業者であれば、３部ピクセルのな い構造を使用してモノクローム・ディスプレイを製造してもよいことは了解でき よう。 長寿命、安定動作特性を確保するために、装置において高い真空を維持しなけ ればならない。電子管の分野では、ゲッタを使用して壁その他の内部構造から放 出したガスを吸収するのが普通である。電界放出ディスプレイにおけるゲッタリ ング材料のための１つの位置は、電気的な貫通接続がない側でディスプレイ・パ ネルの周面まわりである。パネル・サイズが大きくなるにつれてこの位置が理想 から離れることになることは当業者には周知である。 これは、パネルの中心と縁の間のガス流コンダクタンスが低いためであり、これ がパネル管の長い距離とサブミリメータのクリアランスから生じるからである。 計算によれば、２５０ｍｍの対角線寸法より大きいパネルの場合、このコンダク タンスがゲッタ・システムが無効となるレベルまで低下することがわかった。米 国特許第5,223,766号はこの問題を解決する２つの方法を記載している。１つの 方法では、ホールのアレイを有するカソード・プレートがバックチャンバ内へ通 じており、このバックチャンバが大きなクリアランスと分配型ゲッタを備えてい る。他の方法では、ジルコニウムのようなバルク・ゲッタリング材料のゲート電 極を作る。これら両方法は原則として稼働するが、まぎれもなく実際上の問題が ある。 多孔性カソード・プレート方法では、カソード・プレートの小孔はピクセル間 のスペース内に嵌合するに充分に小さくなければならない。人為的な構造が見え ないようにするために、直径がテレビジョンの場合に１２５ミクロメータで最大 であり、コンピュータ・ワークステーションの場合にはもっと小さくなるように 制限する。１ｍｍ〜２ｍｍ厚のガラスで１００ミクロメータ以上のホールを数百 万個穿孔する（カソード・プレートでは普通である）コストはひどく高くつく。 さらに、そうしてできたコンポーネントは極度に脆弱となり、パネル寸法を大き くするにつれて問題も大きくなる。 室温で効果的とするために、、かさばったゲッタは非常に大きな表面積を持た なければならない、これは、通常、焼結粒子層を形成することによって達成され る。電界放出ディスプレイにおけるゲート電極は強い加速ＤＣ電界内に設置され る。ここに説明した電界放出システムから明らかなように、このような粒子ゲッ タ層はかなりの数の電界放出サイトを与えがちである。これらのサイトは付近の １つまたはそれ以上の蛍光パッチを連続的に励起する電子を放出し、ディスプレ イで可視効果を作り出すことになる。 次に第１３図に示すディスプレイに目を転じて、ここでは、分散形ゲッタ・シ ステムを構造内に組み込める３つの方法を説明する。これらの方法はここに説明 したエミッタ・システムを用いるこのディスプレイの関係で説明するが、他のエ ミッタ・システムを用いるディスプレイと共にこの技術を使用 できることは了解されたい。 スプリアス放射を生じないような或る特定のゲッタ材料のための適当な位置は アノード・プレートである。アノードのところで、直立電界は電子放出を完全に 抑制する。電界放出ディスプレイでは、カソード・プレートおよびアノード・プ レートは外部大気圧によって大きな力を受ける。ひずみ、割れを防ぐために、ス ペーサがプレート間に配置してある。これらのスペーサはピクセル構造に組み込 まれる。目に見える人為結果を最小限に抑えるために、掩蔽ラインがアノード・ プレートを印刷してスペーサ接触領域を隠している。スペーサをピクセルの周期 性と共に繰り返すのが普通であるが、このような配置ではかなりの機械的な過剰 設計となる。したがって、スペーサの頻度を減らし、掩蔽ラインの背後でアノー ド・プレート上にゲッターリング材料を設けることができる。第１４図はスペー サ１３３上に支持されたカソード・プレート１３０、アノード・プレート１３１ を備える実施例を示している。アノード・プレート上のスペーサ接触領域は援兵 ライン３４によってマスクをかけられる。この実施例では、スペーサは２つの潜 在的な位置からは除かれ、ゲッターリング材料１３５に代えられている。適当な ゲッターリング材料としては、微細Group IVa金属（たとえば、ジルコニウム） やSAES Getters of Milanの製造するような専有のゲッタリング合金がある。こ のようなゲッターリング材料はろう付けあるいはガラス・フリットによってアノ ード・プレートに接合した粒子の形をしていてもよい。同様に、不活性スキャッ タリング・ガス内での溶射あるいは真空コーティングを含む広範囲にわたる方法 で多孔質層として直接付着させてもよい。他の方法も工夫できることは明らかで ある。前記ゲッタは構造のフリット・シーリング中に活性化され、空気にさらさ れて不動態化され、真空処理のベイクアウト相で再活性化される。 別の方法としては、エミッタ領域内にゲッターリング材料を設置し、意図的に 放出された電子と共に任意の電界放出された電子を調整し、スプリアス電子がエ ミッタ・パッチからの電子を増大させるようにする方法がある。第１５図はこの 実施例を示しており、ここでは、ゲッタ・パッチ１７０がエミ ッタ・パッチ１７１内に配置してあり、駆動電子機器によってアドレス指定され たときにスプリアス電子のみが蛍光パッチ１７２を励起するようになっている。 第１６図は、ゲッタ粒子または粒子クラスタを用いて上述したようなＭＩＭＩ Ｖエミッタを作る別の方法を示している。この放出機構は粒子を絶縁体内で完全 に被覆する必要がない。これは画素が粒子の頂部に向かって基板およびエミッタ 領域との接触点であるからである。この実施例では、粒子１４０は絶縁材料１４ ２によって基板１４１に固定されている。粒子の上方部分は絶縁層１４３で被覆 されている。絶縁材料１４２、１４３の組成は先に述べたものである。この配置 では、露出したゲッターリング材料１４４の領域が残る。 あるいは、絶縁層が粒子全体を被覆しているが実質的に多孔質であるようにし てもよい。第１７図はこのような構造を作る２つの方法を示している。第１７ａ 図は、絶縁材料１５２によって基板１５０に接合された粒子１５１を示している 。粒子の上部はローラ１５４によって絶縁体１５３で被覆される。材料はシステ ム１５５によってローラに給送される。第１７ｂ図に示す別の方法では、上述し たように粒子を接合した基板を作り、ポイント・ソースまたはライン・ソース１ ６２から絶縁材料１６１を真空蒸着させる。蒸発した材料は斜めに表面に衝突す る。シャドウイング法により、粒子の頂部、一側部のみが被覆される。均一な絶 縁体厚さを確保するために、基板はソースを通過して移動させる。 すべての電界電子放出ディスプレイに伴う問題はピクセル毎の均一な電気特性 を達成することにある。１つの方法としては、一定電流モードでピクセルを駆動 する電子機器を使用することがある。同じ目的を実質的に達成する別の方法は、 エミッタと一定電圧駆動回路の間に適切な値の抵抗器を挿入することである。こ れは装置にとって外部的なものとなる。しかしながら、この構成では、抵抗器の 時定数おおび導電性トラック・アレイのキャパシタンスがピクセルをアドレス指 定できる速度に限界を与える。エミッタ・パッチと導電性トラックの間のその部 位に抵抗器を形成することによって、低イン ピーダンス電子機器を使用してトラック・キャパシタンスを急速充電することが できる。このようなその部位に形成された抵抗パッド４４が第７ｂ図に示してあ る。この抵抗パッドは導電性トラック３４にスクリーン印刷してもよいが、他の コーティング法も使用し得る。或る種の実施例では、抵抗パッド４４を横切る電 圧低下はその表面４５を横切る電圧破壊を生じさせるに充分なものとなり得る。 破壊を防ぐために、オーバーサイズの抵抗パッド４６を用いて第７ｃ図に示すよ うにトラッキング距離を大きくしてもよい。 先に説明したＭＩＭＩＶエミッタの動作メカニズムは抵抗パッドに対する放出 を緩衝する別の方法を与える。刊行物 S Bajic and R V Latham(1988)J．Appl． Phys．21 200-204において、「スイッチオン」後に、電流が基板から電鋳チャネ ルを経て粒子に流れ、粒子上の別の点で別の導電性チャネルから真空中に放出さ れることが提案されている。このメカニズムは第１２ａ図に概略的に示してある 。この図からわかるように、放出電流１１３は粒子１１０を通って流れから真空 中に放出されなければならない。２つの導電性チャネル１１２間には粒子１１４ の内部抵抗がある。基板１０９から流れてくる電流は粒子を横切って電位低下を 生じさせ、これは抵抗率に依存する。この電位低下は粒子の頂部のところで電界 を縮小させ、これが電界と共に電流が増大する率を制限する。したがって、自動 バッファリング効果が達成される。 第１２ｂ図は、グラファイト粒子１１５とシリコン・カーバイド粒子１１６を 備えたエミッタの測定電圧・電流特性を示している。大きな範囲にわたって、シ リコン・カーバイド粒子を使用するエミッタはファウラー・ノルトハイム式電圧 ・電流特性よりも線形電圧・電流特性を示す。電圧・放出電流特性は導電性チャ ネルの特性よりもむしろ粒子の抵抗値によって決まる。粒子サイズおよび固有抵 抗のプロセス制御は外来性の電鋳チャネルよりもはるかに容易である。これの重 要な利点は、グラファイト粒子を持つエミッタに比較して、均一性が大きく、放 出の一時的な変動をかなり少なくすることである。 モデリングによれば、図示の最大電流での粒子を横切る電位低下が１００ ボルトより大きいことがわかった。図示の２つの例は少なくとも１０００：１だ け異なる抵抗率を持つ極端な例である。中間の抵抗率を持つ粒子を選ぶことによ って、ファウラー・ノルトハイム様特性の低下制御電圧スイングと大きく緩衝さ れたリニア特性の安定性との間でトレードオフを行い得る。最適な選択は用途毎 に行うとよい。 第８ａ図は上記の材料の１つを用いる扁平ランプを示している。このランプは 液晶ディスプレイのためのバックライトとして使用できるが、室内照明のような 他の用途も可能である。 ランプはバックプレート６０を包含し、このバックプレートは光透過性フロン トプレート６６に膨張整合する金属で作るとよい。バックプレートが絶縁体であ る場合、次に導電層を塗布する。放出材料６２はパッチとして塗布する。システ ムを放出パッチ当たり等しい電界放出電流に向かって強制し、それによって均一 な光源を作り出すために、各パッチは抵抗器を経てバックプレートに電気的に接 続する。この抵抗器は、第８ｂ図に示すように、電気抵抗パッド６９によって容 易に形成することができる。第７ｃ図と同様に、抵抗パッドは放出パッチよりも 大きい面積を有し、その厚さを横切って電圧破壊を阻止してもよい。抵抗パッチ のよりコスト効率の良い代替物としては上記の自動バッファリング材料がある。 フロントプレート６６は透明な導電層６７を有し、適当な蛍光材６８で被覆して ある。これら２つのプレートは外側リング６３とスペーサ６５によって隔離され ている。この構造をソルダー・ガラスのような材料６４でシールする。装置は、 ポンピング・チューブかあるいはソルダー・ガラスを真空炉内で融解することに よって抽気する。数キロボルトのＤＣ電圧をバックプレート６０または導電層６ １と透明導電性コーティング６７の間に印加する。電界放出された電子は蛍光体 ６８に衝撃を与え、光を発生させる。ランプの輝度は印加電圧を変えることによ って調節できる。 或る種の用途のために、アドレス指定可能な蛍光ストライプとそれに関連した 電子機器を備え、フライング・スポット・スキャナに類似する方法でスキャニン グ・ラインを与えるようにランプを構成してもよい。このような装 置はハイブリッド・ディスプレイ・システムに組み込むことができる。 上記の電界放出陰極ルミネセンス・ランプは水銀蒸気を使用するランプ（たと えば、冷間動作・瞬間点灯）に多くの利点を与えるが、本質的に効率は悪い。そ の理由の１つは、水銀放電から紫外線光の場合と比べて、蛍光材粒子への入射電 子の侵入を制限するからである。その結果、リア電子励起蛍光体の場合、生じた 光の多くは粒子を通過する際に散乱し、減衰する。光出力が電子ビームの衝突す る側と同じ側で蛍光体から出ることができる場合、発光効率はほぼ倍になる。第 １８図はこのことを達成できる構成を示している。 第１８図において、ガラス・プレート１７０は光学的に透明な導電性コーティ ング１７１（たとえば、酸化スズ）を有し、このコーティング上に上述したよう なＭＩＭＩＶエミッタ１７２の層が形成してある。このエミッタは光学的にほぼ 透明であるように形成し、ランダムに隔たった粒子からなるために、規則正しい チップ・アレイとＬＣＤのピクセル・アレイの間の干渉が生じるモワレ模様が生 じない。この層は、限定するつもりはないが、絶縁成分としてポリシロキサン・ スピンオン・ガラスで形成することができる。上記の被覆したカソード・プレー トはスペーサ１７９によってアノード・プレート上方に支持され、構造は第８ａ 図に示すランプと同じ方法でシールされ、抽気される。ガラス、セラミック、金 属その他の材料で作るアノード・プレート１７７の上には電界ルミネセンス蛍光 体１７５が配置され、オプションとしてアルミニウムのような反射層１７６が蛍 光体とアノード・プレートの間に配置してある。キロボルト範囲の電圧１８０を 導電層１７１とアノード・プレート１７７（絶縁材料の場合には、導電性コーテ ィング）の間に印加する。この印加電圧で生じた電界放出された電子１７３は蛍 光体１７５に向かって加速される。こうして生じた光出力は半透明エミッタ１７ ２と透明導電層１７１を通過する。オプションとして、Lambertianあるいは非La mbertianディフューザ１７８を光路に配置してもよい。 本発明の実施例はグラファイト包含物と共に薄膜ダイアモンドを使用できる。 グラファイト包含物は、本発明の要件に合わせて最適化する。たとえば 、この包含物を整合させ、充分なサイズ、密度に作るなどして最適化する。薄膜 ダイアモンドの製作での技術トレンドはグラファイト包含物を確実に最小限に抑 えることであったが、本発明の実施例では、このような包含物を意図的に使用し 、注意深く処理する。 本発明の好ましい実施例の重要な特徴は、放出パターンを印刷し、ディスプレ イに要求されるような複雑なマルチエミッタ・パターンを適度なコストで作り出 せる能力にある。さらに、この印刷能力により、ガラスのような低コスト基板材 料を使用することが可能となる。従来は、ミクロ処理構造を高コスト単結晶基板 に構築するのが代表的であったのである。本明細書の文脈において、印刷という 用語は、定まったパターンで放出材料を設置あるいは形成するプロセスを意味す る。適当なプロセスの例としては、スクリーン印刷、ゼログラフィー、写真印刷 、静電蒸着、吹付け塗装、オフセット印刷がある。 本発明を具体化した装置は大小にかかわらずあらゆるサイズで作ることができ る。これは、特に、シングルピクセル装置からマルチピクセル装置、小形ディス プレイから大型ディスプレイまでの範囲にわたるディスプレイに適用可能である 。 本願と関連して本明細書と同時にあるいはそれに先立って提出し、また、本明 細書と共に一般公開されたあらゆる論文、文献に注目されたい。これらすべての 内容はここに参考文献として援用する。 本明細書（添付の特許請求の範囲、要約、図面を含む）に開示した特徴のすべ てあるいはここに開示した任意の方法あるいはプロセスの諸段階のすべてまたは これら両方は、これらの特徴あるいは段階またはこれら両方の少なくともいくつ かが相容れない組合せを除いて、任意の組合せで結合可能である。 本明細書（添付の請求の範囲、要約、図面を含む）に開示した各特徴は、はっ きりと記載していない限り、同じ、同等のまたは類似の目的を果す別の特徴によ って置き換えることができる。したがって、はっきりと記載していない限り、こ こに開示した各特徴は大まかな範囲の均等なまたは類似の特徴 のうちのほんの一例である。 本発明は前記の実施例の細部に限定されない。本発明は本明細書（添付の請求 の範囲、要約、図面を含む）に開示した特徴のうちの任意の新規な特徴または任 意の組合せあるいはそこに開示した任意の方法またはプロセスの段階のうちの任 意新規な段階または任意新規な組合せにまで及ぶ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，Ｈ Ｕ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 テイラー，ウィリアム イギリス国 ティー・エス26 ８エル・ゼ ッド クリーブランド ハートルプール エルム グローヴ ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 導電性基板およびその上に配置した少なくとも１つの導電性粒子とを包含 し、この導電性粒子が無機電気絶縁材料の層に埋設あるいは形成されるかあるい は無機電気絶縁材料の層によって被覆されていて粒子と基板の間に第１厚さの絶 縁材料を構成し、粒子と材料を配置する環境の間に第２厚さの絶縁材料を構成し 、これらの厚さの間の前記粒子の寸法が前記厚さの各々よりもかなり大きいこと を特徴とする電界電子放出材料。 ２． 請求の範囲第１項記載の電界電子放出材料において、前記粒子の前記寸法 が前記厚さの各々よりも少なくとも１０倍大きいことを特徴とする電界電子放出 材料。 ３． 請求の範囲第２項記載の電界電子放出材料において、前記粒子の前記寸法 が前記厚さの各々よりも少なくとも１００倍大きいことを特徴とする電界電子放 出材料。 ４． 請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の電界電子放出材料において 、前記導電性粒子の実質的単一の層が設けてあり、各粒子が０．１μｍ〜４００ μｍの範囲の最大寸法を有することを特徴とする電界電子放出材料。 ５． 請求の範囲第１項、第２項、第３項または第４項記載の電界電子放出材料 において、前記無機電気絶縁材料がダイアモンド以外の材料を包含することを特 徴とする電界電子放出材料。 ６． 請求の範囲第５項記載の電界電子放出材料において、前記無機電気絶縁材 料が、ガラス、鉛ベースのガラス、ガラス・セラミック、溶融ガラスその他のガ ラス質材料、セラミック、酸化セラミック、酸化表面、窒化物、窒化表面あるい は硼化セラミックを包含することを特徴とする電界電子放出材料。 ７． 請求の範囲第１項、第２項、第３項または第４項記載の電界電子放出材料 において、前記無機電気絶縁材料が実質的に未ドープのダイアモンドを包含する ことを特徴とする電界電子放出材料。 ８． 請求の範囲第１項から第７項のうちいずれか１つに記載の電界電子放出材 料において、基板に対してほぼ直角な最長寸法と優先的に整合した複数の前記導 電性粒子を包含することを特徴とする電界電子放出材料。 ９． 請求の範囲第１項から第８項のうちいずれか１つに記載の電界電子放出材 料において、最長寸法の５倍から１５倍の範囲で相互に隔たった複数の導電性粒 子を包含することを特徴とする電界電子放出材料。 １０．請求の範囲第１項記載の電界電子放出材料において、無機電気絶縁材料の 前記層が電気絶縁性マトリックスを包含する構造を包含し、前記電気絶縁性マト リックス内に実質的に支持された導電性繊維のアレイとして複数の前記導電性粒 子が設けてあり、露出した繊維端が電気絶縁性マトリックスとほぼ同一平面にあ り、露出繊維端およびそれと同一平面のマトリックスが電気絶縁性下層でほぼ覆 われていることを特徴とする電界電子放出材料。 １１．請求の範囲第１０項記載の電界電子放出材料において、前記構造が導電性 媒体によって前記導電性基板に接合してあることを特徴とする電界電子放出材料 。 １２．請求の範囲第１０項または第１１項記載の電界電子放出材料において、繊 維が、１μｍ〜２ｍｍの範囲の長さと、０．５μｍ〜１００μｍの範囲の直径を 有することを特徴とする電界電子放出材料。 １３．請求の範囲第１０項、第１１項または第１２項記載の電界電子放出材料に おいて、繊維相互の間隔が繊維長の５倍から１５倍の範囲にあることを特徴とす る電界電子放出材料。 １４．請求の範囲第１０項から第１３項のうちいずれか１つに記載の電界電子放 出材料において、繊維アレイが指向性凝固された共晶材料のスライスから作って あることを特徴とする電界電子放出材料。 １５．請求の範囲第１０項から第１４項のうちいずれか１つに記載の電界電子放 出材料において、前記構造の両面に前記電気絶縁性下層が設けてあることを特徴 とする電界電子放出材料。 １６．請求の範囲第１０項から第１５項のうちいずれか１つに記載の電界電子放 出材料において、各電気絶縁性下層の厚さが５０Å〜２μｍの範囲に あることを特徴とする電界電子放出材料。 １７．請求の範囲第１０項から第１６項のうちいずれか１つに記載の電界電子放 出材料において、各電気絶縁性下層が、ガラス、ガラス・セラミック、セラミッ ク、酸化セラミック、窒化物、硼化セラミックまたはダイアモンドからなること を特徴とする電界電子放出材料。 １８．請求の範囲第１項から第１７項のうちいずれか１つに記載の電界電子放出 材料において、導電性粒子の導電率が、粒子を通過する放出電流で生じる電位低 下が充分であって放出電流を制御する量だけ粒子の放出点のところで電界を減ら すように決めてあることを特徴とする電界電子放出材料。 １９．請求の範囲第１項から第１８項のうちいずれか１つに記載の電界電子放出 材料において、前記粒子あるいは前記粒子の少なくともいくつかが、シリコン・ カーバイド、タンタル・カーバイド、ハフニウム・カーバイド、ジルコニウム・ カーバイド、チタンのMagneli準酸化物、半導性シリコン、III−Ｖ化合物および II−VI化合物からなることを特徴とする電界電子放出材料。 ２０．実質的に添付図面の第３図から第１９図のうちのいずれか１つを参照しな がら先に説明した電界電子放出材料。 ２１．請求の範囲第１項から第２０項までのいずれか１つに記載の電界電子放出 材料を形成する方法であって、前記導電性基板上に前記導電性粒子を配置し、前 記導電性粒子を無機電気絶縁材料の層に埋設あるいは形成するかあるいは無機電 気絶縁材料の層によって被覆することを特徴とする方法。 ２２．請求の範囲第２１項記載の方法において、前記導電性粒子または無機電気 絶縁材料あるいはこれら両方を印刷法によって前記導電性基板に塗布することを 特徴とする方法。 ２３．請求の範囲第２１項記載の方法において、大小の粒子の混合物を相互に焼 結あるいは結合する段階を包含し、大きい方の粒子が複数の前記導電性粒子を包 含し、小さい方の粒子が前記無機電気絶縁材料の層を形成していることを特徴と する方法。 ２４．請求の範囲第２３項記載の方法において、絶縁材料がガラス・セラ ミック、セラミック、酸化セラミック、窒化物、硼化物あるいはダイアモンドか らなることを特徴とする方法。 ２５．請求の範囲第２１項または第２２項記載の方法において、絶縁膜、導電性 粒子層、別の絶縁膜を順次に基板に塗布する段階を包含することを特徴とする方 法。 ２６．請求の範囲第２５項記載の方法において、絶縁材料がセラミック、酸化セ ラミック、酸化物、窒化物、硼化物あるいはダイアモンドからなることを特徴と する方法。 ２７．請求の範囲第２１項または第２２項記載の方法において、複数の前記導電 性粒子の各々に直接絶縁性コーティングを塗布し、ガラス質材料またはろう付け 材料で基板に被覆粒子を固定する段階を包含することを特徴とする方法。 ２８．請求の範囲第２７項記載の方法において、絶縁材料がガラス、ガラス・セ ラミック、セラミック、酸化セラミック、酸化物、窒化物、硼化物またはダイア モンドからなることを特徴とする方法。 ２９．請求の範囲第２１項記載の方法において、前記無機電気絶縁材料層が多孔 性絶縁体からなり、前記方法が、この多孔性絶縁体の細孔に導電性材料を充填し 、複数の前記導電性粒子を得ることを特徴とする方法。 ３０．請求の範囲第２９項記載の方法において、前記多孔性絶縁体の両面に２つ の無機電気絶縁材料の外側下層を形成し、前記多孔性絶縁体が前記２つの無機電 気絶縁材料の外側下層の間に中間下層を包含することを特徴とする方法。 ３１．実質的に添付図面の第３図から第１９図のうちいずれか１つを参照しなが ら先に説明した電界電子放出材料を形成する方法。 ３２．請求の範囲第１９項から第３０項までのうちいずれか１つに記載の方法に よって製造した電界電子放出材料。 ３３．請求の範囲第３２項または請求の範囲第１項から第２０項のうちのいずれ か１つに記載の電界電子放出材料からなる電界電子放出装置。 ３４．請求の範囲第３３項記載の電界電子放出装置において、前記電界電 子放出材料のエミッタ・パッチのアレイを備えた基板と、アパーチャの整合アレ イを備えた制御電極とを包含し、この制御電極が絶縁層によってエミッタ・パッ チ上方に支持されていることを特徴とする電界電子放出装置。 ３５．請求の範囲第３２項または第３３項記載の電界電子放出装置において、プ ラズマ・リアクタ、コロナ放電装置、電界ルミネセント装置、無音放電装置また はオゾナイザを包含することを特徴とする電界電子放出装置。 ３６．請求の範囲第３３項、第３４項または第３５項記載の電界電子放出装置に おいて、電子ソース、電子ガン、電子装置、Ｘ線チューブ、真空ゲージ、ガス充 填装置またはイオン・スラスタを包含することを特徴とする電界電子放出装置。 ３７．請求の範囲第３３項、第３４項または第３５項記載の電界電子放出装置に おいて、電界電子放出材料が装置の動作のための全電流を供給することを特徴と する電界電子放出装置。 ３８．請求の範囲第３３項、第３４項または第３５項記載の電界電子放出装置に おいて、電界電子放出材料が装置のための出発電流、トリガ電流または起動電流 を供給することを特徴とする電界電子放出装置。 ３９．請求の範囲第３３項から第３８項のうちいずれか１つに記載の電界電子放 出装置において、ディスプレイ装置を包含することを特徴とする電界電子放出装 置。 ４０．請求の範囲第３３項または第３４項記載の電界電子放出装置において、ラ ンプを包含することを特徴とする電界電子放出装置。 ４１．請求の範囲第４０項記載の電界電子放出装置において、前記ランプがほぼ 扁平であることを特徴とする電界電子放出装置。 ４２．請求の範囲第３９項、第４０項または第４１項記載の電界電子放出装置に おいて、電界電子放出材料がパッチとして塗布され、これらのパッチが使用時に 抵抗器を経由して印加カソード電圧に接続されることを特徴とする電界電子放出 装置。 ４３．請求の範囲第４２項記載の電界電子放出装置において、前記抵抗器が各エ ミッタ・パッチの下に抵抗パッドとして塗布されることを特徴とする 電界電子放出装置。 ４４．請求の範囲第４３項記載の電界電子放出装置においで、各エミッタ・パッ チの下にそれぞれの抵抗パッドが設けてあり、各抵抗パッドの面積がそれぞれの エミッタ・パッチの面積よりも大きいことを特徴とする電界電子放出装置。 ４５．請求の範囲第４０項から第４４項のうちいずれか１つに記載の電界電子放 出装置において、前記エミッタ材料または蛍光材料あるいはこれら両方が導電性 トラックの１つまたはそれ以上の一次元アレイ上に被覆してあり、これらの導電 性トラックが電子駆動手段によってアドレス指定されてスキャニング照明ライン を生成することを特徴とする電界電子放出装置。 ４６．請求の範囲第４５項記載の電界電子放出装置において、前記電子駆動手段 を包含することを特徴とする電界電子放出装置。 ４７．請求の範囲第３５項から第４６項のうちいずれか１つに記載の電界電子放 出装置において、前記材料の前記環境が真空であることを特徴とする電界電子放 出装置。 ４８．請求の範囲第４７項記載の電界電子放出装置において、装置内にゲッター リング材料を包含することを特徴とする電界電子放出装置。 ４９．請求の範囲第４８項記載の電界電子放出装置において、前記ゲッターリン グ材料がアノードに取り付けてあることを特徴とする電界電子放出装置。 ５０．請求の範囲第４８項記載の電界電子放出装置において、前記ゲッターリン グ材料がカソードに取り付けてあることを特徴とする電界電子放出装置。 ５１．請求の範囲第５０項記載の電界電子放出装置において、電界電子放出材料 がパッチとして配置してあり、前記ゲッターリング材料が前記パッチ内に配置し てあることを特徴とする電界電子放出装置。 ５２．アノードと、カソードと、これらアノード、カソード上のスペーサ・サイ トと、前記スペーサ・サイトの少なくともいくつかのところに設置してあって前 記アノードを前記カソードから隔離しているスペーサと、前記ス ペーサ・サイトの残りのものに設置してあるゲッターリング材料とを包含するこ とを特徴とする電界放出ディスプレイ装置。 ５３．請求の範囲第５２項記載の電界放出ディスプレイ装置において、前記スペ ーサ・サイトが矩形または周期的な相互間隔で位置していることを特徴とする電 界放出ディスプレイ装置。 ５４．請求の範囲第３９項または請求の範囲第４０項から第５３項のうちいずれ か１つに記載の電界放出ディスプレイ装置において、前記カソードが光学的に半 透明であり、カソードから放出された電子がアノードに衝突するようにアノード に対して配置してあり、アノードのところに電界ルミネセンスを生じさせ、この 電界ルミネセンスが光学的に半透明のカソードを通して見えることを特徴とする 電界放出ディスプレイ装置。 ５５．実質的に添付図面の第３図から第１９図のうちのいずれか１つを参照しな がら先に説明した電界電子放出装置。