WO2005122204A1 - 電子放出素子、及び電子放出素子の製造方法 - Google Patents

Description

明 細 書 電子放出素子、 及び電子放出素子の製造方法 技 術 分 野

本発明は、 フィールドェミッションディスプレイ （F E D ) やバックライト等 のディスプレイや、 電子線照射装置、 光源、 電子部品製造装置、 電子回路部品の ような、 電子線を利用した種々の装置における電子線源として適用され得る電子 放出素子、 及びその製造方法に関する。 背 景 技 術

上述の電子放出素子は、 周知の通り、 所定の真空度の真空中で動作させられる ものであって、 電子放出部 （以下、 ェミッタ部と称する。 ） に所定の電界を作用 させることによって、 エミッタ部から電子を放出させるように構成されている。 この電子放出素子が F E Dに適用される場合、 複数の電子放出素子が二次元的に 配列され、 これら複数の電子放出素子に対応するように、 複数の蛍光体が、 電子 放出素子と所定の間隔をもってそれぞれ配置される。 そして、 二次元配列された 前記複数の電子放出素子中の、 任意の位置のものが選択的に駆動されることによ つて、 任意の位置の電子放出素子から電子が放出され、 この放出された電子が蛍 光体に衝突することで、 任意の位置の蛍光体より蛍光が発せられ、 以て所望の表 示を行うことができる。

この電子放出素子の具体例としては、 例えば、 下記特許文献 1 ~ 5が挙げられ る。 これらの具体例においては、 いずれもエミッ夕部として微細な導体電極が用 いられていたため、 この微細な導体電極を形成するためにはエッチングやフォー ミング加工等による微細加工が必要となり、 製造工程が複雑となる。 また、 電子 放出のために高電圧を印加しなければならず、 高電圧駆動のための I C等の部品 コストが高くなるという問題もある。 このように、 前記具体例では、 電子放出素 子や、 これを適用した装置の製造コス卜が高くなるという問題がある。

そこで、 ェミッタ部が誘電体で構成された電子放出素子が案出され、 例えば、 下記特許文献 6, 7に開示されている。 また、 誘電体をェミッタ部とする場合の 電子放出に関する一般的な知見は、 下記非特許文献 1〜 3にて開示されている。

この特許文献 6， 7に開示された電子放出素子 （以下、 単に 「従来の電子放出 素子」 という。 ） は、 誘電体で構成されたェミッタ部の上面の一部を力ソード電 極で覆うとともに、 このエミッ夕部の下面上、 又はェミッタ部の上面上であって カソード電極と所定の間隔を設けた位置に、 接地されたアノード電極を配設する ことにより構成される。 すなわち、 エミッ夕部の上面側に、 力ソード電極もァノ ―ド電極も形成されていないェミッタ部表面の露出部が、 カソード電極の外縁部 近傍に存在するように、 電子放出素子が構成される。 そして、 先ず第 1段階とし て、 力ソード電極とアノード電極との間に、 力ソード電極の方が高電位となるよ うな電圧が印加され、 この印加電圧によって形成された電界によって、 エミッ夕 部 （特に前記の露出部） が所定の分極状態に設定される。 次に、 第 2段階として 、 力ソード電極とアノード電極との間に、 力ソード電極の方が低電位となるよう な電圧が印加される。 このとき、 力ソード電極の外縁部から 1次電子が放出され るとともに、 エミッ夕部の分極が反転し、 この分極が反転したェミッタ部の露出 部に、 前記の 1次電子が衝突することで、 ェミッタ部から 2次電子が放出される 。 この 2次電子が、 外部からの所定の電界により所定方向に飛翔することで、 こ の電子放出素子による電子放出が行われる。

特許文献 1 ：特開平 1一 3 1 1 5 3 3号公報

特許文献 2 ：特開平 7— 147 1 3 1号公報

特許文献 3 :特開 2000 - 28 580 1号公報

特許文献 4 ：特公昭 46 - 20944号公報

特許文献 5 ：特公昭 44 - 26 1 2 5号公報

特許文献 6 :特開 2004— 1 4636 5号公報

特許文献 7 :特開 2004— 1 7 208 7号公報

非特許文献 1 ：安岡、 石井著 「強誘電体陰極を用いたパルス電子源」 応用物 理第 68巻第 5号、 p 546〜550 ( 1 999)

非特許文献 2 ： V. F. Puchkarev, G. A.Mesyats, On the mechanism of emission from the ferroelectric ceramic cathode, J. Appl . Phys. , vol. 78, No. 9, 1 ovember, 1995, p. 5633-5637

非特許文南犬 3 ： H. Ri ege, E l ec t ron emi ss i on ferroe l ec t r i cs - a rev i ew, Nuc l . Ins t and Me th. A340, p. 80-89 ( 1994) 発 明 の 開 示

ところで、 前記従来の電子放出素子において、 電子が力ソード電極からェミツ 夕部に向けて放出される際には、 カソード電極の表面上であって電気力線が集中 して電界強度が高くなる箇所にて電子放出が起こる （なお、 上述したような、 導 体である電極の表面上にて電気力線が集中することで、 その電気力線が集中して いる部分の電界強度が高くなることを、 以下単に 「電界集中」 と称し、 この 「電 界集中」 が起こる箇所のことを、 以下単に 「電界集中部」 と称する。 ） 。

ここで、 図 1 8に、 従来の電子放出素子の一例を模式的に示す。 この従来の電 子放出素子 2 0 0においては、 ェミッタ部 2 0 2の上面に上部電極 2 0 4が、 下 面に下部電極 2 0 6が形成されている。 そして、 上部電極 2 0 4は、 エミッ夕部 2 0 2上に密着して形成されている。 この場合の電界集中部は、 上部電極 2 0 4 とェミッタ部 2 0 2と真空とが交わる所謂 3重点 （トリプルジャンクション） で ある、 上部電極 2 0 4の外縁部分のみとなる。

しかしながら、 上部電極 2 0 4の周縁部分がエミッ夕部 2 0 2上に密着されて いることから、 電子放出箇所である電界集中部は、 上部電極 2 0 4の外周を構成 する外縁部分に限られる。 よって、 電子放出箇所の数が限られるために、 電子放 出量を増やそうとしても、 エミッ夕部 2 0 2の絶縁破壊が起こらない程度にまで しか駆動電圧を上げられない等のために一定の限界があった。

本発明は、 上述した問題に鑑みてなされたものであり、 電子放出量を向上する ことができる電子放出素子を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、 本発明に係る電子放出素子は、 誘電体で構成さ れたエミッ夕部と、 そのエミッ夕部の第 1の面に形成されるとともに開口部を有 する第 1の電極と、 前記エミッ夕部の第 2の面に形成された第 2の電極とを備え 、 前記第 1の電極と前記第 2の電極との間に駆動電圧を印加することにより、 前 記エミッ夕部から前記開口部を介して電子を放出するように構成されたものであ つて、 前記第 1の電極は、 前記開口部における前記第 1の面と対向する面と当該 第 1の面とが離隔して配設されているとともに、 前記開口部の形状は、 当該開口 部の内縁にて電気力線が集中するような形状を備えていることを特徴としている 上述のような、 開口部の内縁にて電気力線が集中するような開口部形状は、 例 えば、 開口部の内壁面において側断面視にて鋭角な形状を有する部分を設けたり

、 当該内壁面に突起物や、 開口部における第 1の電極の厚さと概略等しいかそれ よりも小さい導電性微粒子を付着させたりすることにより実現可能である。 また 、 上記開口部形状は、 開口部の内壁面が双曲面状 （特に開口部の内縁部分におけ る側断面視上端部と下端部とがともに鋭角となるような双曲面状） に形成される ことによつても実現可能である。 その他、 内縁にて電気力線が集中するような開 口部形状は、 上述したもの以外にも、 様々な態様により実現可能である。

本発明の上記構成によれば、 前記第 1の電極における前記開口部は、 前記エミ ッ夕部の第 1の面から離隔しているので、 前記第 1の面と、 前記第 1の電極の開 口部における前記第 1の面と対向する面との間には、 ギャップ （空隙） が形成さ れることとなる。 このギャップの生成により、 前記第 1の電極の開口部における 前記第 1の面と対向する面と前記エミッ夕部の第 1の面との間に形成される仮想 的なコンデンサの静電容量が、 ギャップがない場合よりも小さくなる。 よって、 駆動電圧のうちの大部分が実質的に当該ギヤップ部分に印加されることになり、 上述のようなギヤップがなかった従来の電子放出素子の構成に比べて、 第 1の電 極の外縁部である開口部の電界強度が上がる。

また、 本発明の上記構成によれば、 前記第 1の電極における前記開口部が前記 ェミッタ部の第 1の面と離隔することで、 前記エミッ夕部の第 1の面と、 前記第 1の電極の開口部における前記第 1の面と対向する面との間にはギャップ （空隙 ) が形成され、 第 1の電極における開口部の形状が側断面視で庇状 （フランジ状

) となる。 そして、 前記開口部の形状は、 当該開口部の内縁にて電気力線が集中 するような形状に形成されている。 これにより、 開口部において、 電界集中部と なる 3重点が当該開口部の内縁とは異なる位置に生じる他、 開口部の内縁にも電 界集中部が生じる。 よって、 電子放出箇所を増やすことができる。 このように、 本発明の上記構成によれば、 電界集中部にてより高い電界強度が 得られるとともに、 電界集中部をより多くすることができ、 且つより高い電界集 中を容易に発生させることができる。 よって、 電子放出量を向上することができ る電子放出素子を提供することが可能になる。

ここで、 本発明の電子放出素子は、 特に、 第 1段階として、 前記第 1の電極が 前記エミッ夕部よりも低電位となるような駆動電圧を印加することで、 前記第 1 の電極から前記エミッ夕部に向けて電子の放出 （供給） が行われ、 すなわち、 当 該ェミッタ部上に電子が蓄積 （ェミッタ部が帯電） され、 第 2段階として、 前記 第 1の電極が前記エミッ夕部よりも高電位となるような駆動電圧を印加すること で、 このエミッ夕部上に蓄積された電子が放出される、 という動作を行うもので あることが好適である。 かかる動作は、 例えば、 以下の通りに行い得る。

第 1の電極と第 2の電極との間に印加される駆動電圧としては、 例えば、 所定 の基準電位 （例えば 0 V) に対して、 パルス状又は交流状に印加される電圧が甩 いられる。

先ず、 第 1段階において、 第 1の電極が基準電位よりも低電位となり、 第 2の 電極が基準電位よりも高電位となるような駆動電圧が、 第 1の電極と第 2の電極 との間に印加される。 すると、 この駆動電圧による電界により、 エミッ夕部の分 極方向が、 エミッ夕部の第 1の面に正電荷が現れるような方向とされるとともに 、 上述の電界集中部において電界集中が発生し、 第 1の電極からェミッタ部に向 けて電子の供給が行われる。 これにより、 エミッ夕部の第 1の面上であって、 第 1の電極における開口部に対応した部分には、 当該部分の表面に現れた正電荷に 引き寄せられることで電子が蓄積される。 すなわち、 エミッ夕部の第 1の面のう ち、 第 1の電極における開口部に対応した部分が帯電することになる。 このとき 、 第 1の電極が電子供給源として機能する。

次に、 第 2段階において、 駆動電圧が急減に変化して、 第 1の電極が基準電位 よりも高電位となり、 第 2の電極が基準電位よりも低電位となるような駆動電圧 が、 第 1の電極と第 2の電極との間に印加される。 すると、 この駆動電圧による 電界により、 エミッ夕部の分極方向が反転し、 ェミッタ部の第 1の面に負電荷が 現れる。 これにより、 前記第 1段階において、 エミッ夕部の第 1の面のうち、 第 1の電極の開口部に対応した部分に付着した電子は、 分極反転により静電斥力を 受けることで、 エミッ夕部の第 1の面上から飛翔し、 この飛翔した電子が開口部 を介して外部に放出される。

このような動作によれば、 前記第 1段階における前記エミッ夕部の帯電量の制 御は比較的容易であるため、 安定した電子放出量が高い制御性で得られる。 また、 第 1の電極における、 エミッ夕部の第 1の面と離隔した開口部が、 エミ ッ夕部の第 1の面から放出される電子に対して、 ゲ一ト電極又はフォーカス電子 レンズのような機能を果たし得るので、 放出電子の直進性を向上させることがで さる。

なお、 上記構成において、 第 1の電極に複数の開口部を形成すれば、 1つの電 子放出素子における電子放出が、 当該第 1の電極が占める領域内にて偏りやばら つきが抑えられた均等なものとなり得る。

また、 上記本発明に係る電子放出素子は、 上述と同様のェミッタ部と、 第 1の 電極と、 第 2の電極とを備え、 前記第 1の電極と前記第 2の電極との間に駆動電 圧を印加することにより電子を放出するように構成されているとともに、 側断面 視で長手方向を有する形状であって、 前記ェミッタ部の前記第 1の面上にて、 前 記長手方向が前記第 1の面に沿うように配置された複数の導電性粒子の集合体に よって、 前記第 1の電極が構成されており、 前記開口部は複数の前記導電性粒子 の外縁部により構成されていることを特徴としている。

かかる構成によれば、 前記第 1の電極は、 側断面視で長手方向を有する形状の 導電性粒子を、 前記エミッ夕部の前記第 1の面上に、 前記長手方向が前記第 1の 面に沿うように複数配置することにより形成され、 前記開口部は複数の前記導電 性粒子の外縁部により構成されている。 したがって、 上述したような、 前記エミ ッ夕部と前記第 1の電極の開口部との間のギャップ （空隙） や、 第 1の電極の開 口部における庇形状を容易に実現することができる。

ここで、 前記第 1の電極を構成する、 側断面視で長手方向を有する形状の導電 性粒子としては、 例えば、 鱗片状、 円盤状、 コイルばね状、 中空円筒状の粒子や 、 側断面視で棒状、 針状、 半球状、 長円状、 半長円状の形状の粒子等、 様々な形 状の粒子を採用し得る。 なお、 導電性粒子は、 前記エミッ夕部の前記第 1の面上に、 前記長手方向が前 記第 1の面に沿うように複数配置されるが、 この際、 前記長手方向が、 必ずしも 前記エミッ夕部の第 1の面と完全に平行である必要はなく、 一般的にみて、 上述 のような作用を奏する前記ギャップや庇形状が形成される程度に 「寝た」 状態で

、 導電性粒子が前記第 1の面上に配置されていればよい。 例えば、 導電性粒子の 側断面視における長手方向と、 前記エミッ夕部の第 1の面とのなす角度は、 略 3 0度以下であればよい。

また、 上記本発明に係る電子放出素子においては、 前記ェミッタ部は多結晶体 により構成され、 前記第 1の電極は、 前記導電性粒子の 1次粒子及びノ又はその 1次粒子が集まった 2次粒子が、 前記エミッタ部の前記第 1の面上に複数配置さ れることにより形成され、 前記 1次粒子又は 2次粒子の、 側断面視における長手 方向の長さが、 前記多結晶体の結晶粒の平均粒径よりも長くなるよう構成される ことが好適である。

ここで、 多結晶体の場合には、 結晶粒界にて凹部が生じやすい。 よって、 この 凹部を利用すれば、 前記導電性粒子の 1次粒子又は 2次粒子を、 前記エミッ夕部 の前記第 1の面上に単に複数配置するだけで、 上述のような庇形状が生じやすい また、 上記本発明に係る電子放出素子においては、 前記第 1の電極を黒鉛で構 成することが好適である。 黒鉛粉末は、 鱗状や鱗片状等、 比較的鋭い端部を有す る形状の導電性粒子である。 換言すれば、 側断面視で長手方向を有する形状を有 している。 したがって、 この黒鉛粉末を用いて前記第 1の電極を構成すれば、 上 述したような、 前記ェミッタ部と前記第 1の電極の開口部との間のギャップ （空 隙） や、 第 1の電極の開口部における庇形状や、 開口部の内縁にて電気力線が集 中するような開口部の内縁部分の形状を、 容易に実現することができる。

また、 上記本発明に係る電子放出素子においては、 前記第 1の電極は、 更に導 電性の微粒子を含むことが好適である。 ここで、 前記微粒子は、 前記第 1の電極 の表面上に露呈されていることがさらに好適である。 これにより、 当該微粒子が 前記第 1の電極の表面に突起物の如く存在することとなるので、 この突起形状に よる効果から、 この微粒子が電界集中部となり得るため、 電子放出箇所をさらに 増加させることができる。 また、 前記微粒子は、 前記開口部に対応する前記エミ ッ夕部の前記第 1の面上にも付着していることがさらに好適である。 これにより 、 誘電体で構成されたエミッ夕部上に、 前記微粒子からなる微小なフロート電極 が設けられることとなる。 このフロート電極は、 前記第 1の電極からェミッタ部 に対して放出された電子を多量に蓄積するために好適であり、 電子放出素子にお ける電子放出量をさらに増加させることができるものであるところ、 このフロー ト電極を前記微粒子により構成すれば、 例えば、 前記第 1の電極を前記エミッ夕 部の第 1の面上に形成する際に当該第 1の電極を構成する材料とともに前記第 1 の面上に塗布する等、 簡単な工程でフロート電極を前記エミッ夕部の第 1の面上 に設けることができる。

また、 上記本発明に係る電子放出素子においては、 前記微粒子が銀からなるこ とが好適である。 これにより、 導電性の微粒子を含んだ前記第 1の電極を簡易且 つ安価に実現することができる。 特に、 前記第 1の電極として黒鉛を用いた場合 であって、 当該第 1の電極の形成過程において、 酸素ガスを含む雰囲気下におけ る加熱工程が含まれる場合、 この加熱工程により銀微粒子のまわりの黒鉛が酸化 されて侵食を受ける。 これにより、 第 1の電極の外縁部の形状が、 鋭い端部を有 するものや、 電極内部に貫通孔による開口部を有するものとなりやすい。 よって 、 電界集中部がさらに増加し得ることとなり、 より好適な電極形状を得ることが 可能になる。

また、 上述のような構成の電子放出素子は、 以下の製造方法によって製造され 得る。

すなわち、 側断面視で長手方向を有する形状の導電性粒子が分散媒に分散され てなるペーストを調製し、 前記ェミッタ部の前記第 1の面上に、 前記ペーストか らなる膜を形成し、 前記の膜を加熱することで前記第 1の電極を形成する。 これにより、 （前記ペーストの粘度や配合比を適宜調整することで） 上述の膜 形成後、 膜に対する加熱が完了するまでに、 導電性粒子の自重や表面エネルギー 等の作用により、 上述したような、 導電性粒子を 「寝た」 状態にすることができ

、 前記ェミッタ部と前記第 1の電極の開口部との間のギャップ （空隙） や、 第 1 の電極における開口部の庇形状を有した好適な電子放出素子を容易に製造するこ とができる。

また、 上記の製造方法において、 前記ペーストを調製する際、 導電性の微粒子 を前記分散媒に分散させるようにすることが好適である。 これにより、 上述した ような、 電界集中部がより多く、 電子放出量が向上された電子放出素子を容易に 製造することができる。

以上説明したように、 本発明に係る電子放出素子によれば、 高い電界集中を容 易に発生させることができ、 しかも、 電界集中部をより多くすることができる。 よって、 電子放出量を向上することができる電子放出素子を提供することが可能 となる。 図 面 の 簡 単 な 説 明

図 1は、 第 1の実施の形態に係る電子放出素子を一部省略して示す断面図で ある。

図 2は、 上記電子放出素子の要部を拡大して示す断面図である。

図 3は、 上部電極に形成された開口部の形状の一例を示す平面図である。 図 4は、 上記電子放出素子に適用される駆動電圧の電圧波形を示す図である 図 5は、 上記電子放出素子の動作の様子を示す説明図である。

図 6は、 上記電子放出素子の動作の様子を示す説明図である。

図 7は、 上部電極とエミッ夕部との間のギャップ形成により上部電極一下部 電極間の電界が受ける影響について説明するための等価回路図である。

図 8は、 上部電極とェミッタ部との間のギャップ形成により上部電極一下部 電極間の電界が受ける影響について説明するための等価回路図である。

図 9は、 上記電子放出素子を適用したディスプレイの概略を示す構成図であ る。

図 1 0は、 第 2の実施の形態に係る電子放出素子を一部省略して示す断面図 である。

図 1 1は、 第 3の実施の形態に係る電子放出素子を一部省略して示す断面図 である。 図 1 2は、 第 1〜第 3の実施の形態に係る電子放出素子における上部電極の 庇部の断面形状の変形例を示す図である。

図 1 3は、 上部電極の庇部の断面形状のさらに他の変形例を示す図である。 図 1 4は、 上部電極の庇部の断面形状のさらに他の変形例を示す図である。 図 1 5は、 上部電極の庇部の断面形状のさらに他の変形例を示す図である。 図 1 6は、 第 1〜第 3の実施の形態に係る電子放出素子にてフロート電極を 設けた変形例を示す図である。

図 1 7は、 第 1〜第 3の実施の形態に係る電子放出素子における開口部形状 の変形例を示す図である。

図 1 8は、 従来の電子放出素子を一部省略して示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明に係る電子放出素子の好適な実施の形態を、 図面を参照しながら 説明する。

先ず、 本実施の形態に係る電子放出装置は、 ディスプレイ、 電子線照射装置、 光源、 L E Dの代替用途、 電子部品製造装置、 電子回路部品のような、 電子線を 利用した種々の装置の電子線源に適用することができる。

電子線照射装置における電子線は、 現在普及している紫外線照射装置における 紫外線に比べ、 高エネルギーで吸収性能に優れる。 適用例としては、 半導体装置 では、 ウェハーを重ねる際における絶縁膜を固化する用途、 印刷の乾燥では、 印 刷ィンキをむらなく硬化する用途や、 医療機器をパッケージに入れたまま殺菌す る用途等がある。

光源としての用途は、 高輝度、 高効率仕様向けであって、 例えば超高圧水銀ラ ンプ等が使用されるプロジェクタの光源用途等がある。 本実施の形態に係る電子 放出装置を光源に適用した場合、 小型化、 長寿命、 高速点灯、 水銀フリーによる 環境負荷低減という特徴を有する。

L E Dの代替用途としては、 屋内照明、 自動車用ランプ、 信号機等の面光源用 途ゃ、 チップ光源、 信号機、 携帯電話向けの小型液晶ディスプレイのバックライ 卜等がある。 電子部品製造装置の用途としては、 電子ビーム蒸着装置等の成膜装置の電子ビ

—ム源、 プラズマ C V D装置におけるプラズマ生成用 （ガス等の活性化用） 電子 源、 ガス分解用途の電子源等がある。 また、 テラ H z駆動の高速スイッチング素 子、 大電流出力素子といった真空マイクロデバイス用途もある。 その他、 プリン 夕用部品、 つまり、 蛍光体との組合せにより感光ドラムを感光させる発光デバィ スゃ、 誘電体を帯電させるための電子源としても好ましく用いられる。

電子回路部品としては、 大電流出力化、 高増幅率化が可能であることから、 ス イッチ、 リレー、 ダイオード等のデジタル素子、 オペアンプ等のアナログ素子へ の用途がある。

先ず、 第 1の実施の形態に係る電子放出素子について、 図 1〜図 8を用いて説 明する。

図 1は、 本実施形態の電子放出素子 1 O Aの一部を拡大した側断面図である。 当該電子放出素子 1 O Aは、 図 1に示すように、 誘電体で構成された板状のエミ ッ夕部 1 2と、 該ェミツ夕部 1 2の第 1の面である上面 1 2 a上に形成されると ともに開口部 2 0を備えた第 1の電極としての上部電極 1 4と、 エミッ夕部 1 2 の第 2の面である下面 1 2 b上に形成された第 2の電極としての下部電極 1 6と を有する。 そして、 上部電極 1 4及び下部電極 1 6には、 これら上部電極 1 4と 下部電極 1 6との間に駆動電圧 V aを印加するパルス発生源 1 8が接続されてい る。

そして、 本電子放出素子 1 0 Aは、 上部電極 1 4から供給された電子を、 開口 部 2 0に対応する上面 1 2 a上に蓄積した後に、 この上面 1 2 a上に蓄積された 電子を、 開口部 2 0を介して外部に放出するように構成されている。

なお、 図 1においては、 一対の上部電極 1 4 ·下部電極 1 6の一部に対応する 、 電子放出素子 1 0 Aの一部分について図示されているものとする。 また、 本電 子放出素子 1 O Aは、 所定の真空雰囲気中にて作動するものであり、 雰囲気 （特 に図 1におけるエミッ夕部 1 2の上面 1 2 aの上方の空間） 中の真空度は、 例え ば、 1 0 ²〜： 1 0—⁶ P aが好ましく、 より好ましくは 1 0—³〜； 1 0—⁵ P aである。 本実施形態におけるェミッタ部 1 2は、 誘電体を材質とする多結晶体から構成 されている。 図 1に示すエミッ夕部 1 2の厚み hは、 上部電極 1 4と下部電極 1 6との間に駆動電圧を印加した場合に、 当該ェミッタ部 1 2にて分極反転が生じ 、 且つ絶縁破壊が起こらない程度の電界強度となるように、 駆動電圧との関係で 決定される。 例えば、 エミッ夕部 1 2の絶縁破壊電圧が 1 0 k V Zmm以上であ るとした場合、 駆動電圧として 1 0 0 Vを印加するとすれば、 理論的にはェミツ 夕部 1 2の厚み hは 1 0 m以上であればよいことになるが、 絶縁破壊が起こら ないようにマージンを見て、 ェミッタ部の厚み hは 2 0 程度に設定されるこ とが好ましい。 また、 エミッ夕部 1 2を構成する誘電体の結晶粒径は、 0 . l m〜 1 0 // mが好ましく、 さらに好ましくは 2 m〜 7 // mである。 図 1の例で は、 誘電体の粒径を 3 mとしている。 なお、 エミッ夕部 1 2の結晶粒径は、 例 えば、 各粒子の形状をその平面視での面積と同一面積の円形と近似した場合の平 均直径として求めることができる。

下部電極 1 6は、 本実施形態では、 厚みが 2 0 i m以下であるとよく、 好適に は 5 m以下であるとよい。

上部電極 1 4は、 本実施形態では、 厚み tが 0 . 1 m≤ t≤ 2 0 i mとなる ように形成されており、 エミッタ部 1 2が外部に露出される複数の開口部 2 0を 有する。 また、 上述の通りエミッ夕部 1 2は多結晶体から構成されているので、 エミッ夕部 1 2の上面の表面には、 誘電体の結晶粒界による凹凸 2 2が形成され ている。 そして、 上部電極 1 4の開口部 2 0は、 前記誘電体の粒界における凹部 2 4に対応した部分に形成されている。 図 1の例では、 1つの凹部 2 4に対応し て 1つの開口部 2 0が形成される場合を示しているが、 複数の凹部 2 4に対応し て 1つの開口部 2 0が形成される場合もある。

また、 図 2に示すように、 開口部 2 0は、 当該開口部 2 0の内縁で構成される 開口 2 0 aと、 その開口 2 0 aの周囲の部分である周部 2 6とからなる。 そして 、 上部電極 1 4のうち、 開口部 2 0の周部 2 6におけるエミッ夕部 1 2と対向す る面 2 6 aが、 エミッ夕部 1 2から離隔している。 つまり、 上部電極 1 4のうち 、 開口部 2 0の周部 2 6におけるエミッ夕部 1 2と対向する面 2 6 aとェミッタ 部 1 2との間にギヤップ 2 8が形成され、 上部電極 1 4における開口部 2 0の周 部 2 6が庇状 （フランジ状） に形成された形となっている。 従って、 以下の説明 では、 「上部電極 1 4の開口部 2 0の周部 2 6」 を 「上部電極 1 4の庇部 2 6」 と記す。 また、 「上部電極 1 4のうち、 開口部 2 0の周部 2 6におけるエミッ夕 部 1 2と対向する面 2 6 a」 を 「上部電極 1 4の庇部 2 6の下面 2 6 a」 と記す 。 なお、 図 1〜図 6中では、 誘電体の粒界の凹凸 2 2の凸部 3 0の断面を代表的 に半円状で示してあるが、 この形状に限るものではない。

また、 本実施形態では、 ェミッタ部 1 2の上面 1 2 a、 すなわち、 誘電体の粒 界における凸部 3 0の表面 （凹部 2 4の内壁面でもある） と、 上部電極 1 4の庇 部 2 6の下面 2 6 aとのなす角の最大角度 Θ を、 1 °≤θ≤6 0 °としている。 ま た、 ェミッタ部 1 2の誘電体の粒界における凸部 3 0の表面 （凹部 2 4の内壁面 ) と、 上部電極 1 4の庇部 2 6の下面 2 6 aとの間の鉛直方向に沿った最大間隔 dを、 0 _i m< d≤ 1 0 ja mとしている。

さらに、 本実施形態では、 上部電極 1 4は、 図 3に示すように、 鱗片状の形状 を有する多数の導電性粒子 1 5 (例えば黒鉛） から構成されている。 すなわち、 上部電極 1 4は、 多数の導電性粒子 1 5が、 当該導電性粒子 1 5の側断面視にお ける長手方向がェミッタ部 1 2の第 1の面 1 2 aに沿うように 「寝た」 状態で配 置されることにより形成されている。 具体的には、 導電性粒子 1 5の側断面視に おける長手方向と、 エミッ夕部 1 2の第 1の面 1 2 a (結晶粒界による凹凸 2 2 を平均化した滑らかな仮想平面） とのなす角度が略 3 0度以下であるように、 各 導電性粒子 1 5が上記第 1の面 1 2 a上に配置されている。

この導電性粒子 1 5は、 本実施形態においては、 エミッ夕部 1 2を構成する誘 電体の結晶粒径よりも大きい一次粒子の大きさ （側断面視における最も長い長手 方向の長さ） となるものが用いられている。 図 1の例では、 ェミッタ部 1 2の結 晶粒径が 3 z mであることからすれば、 導電性粒子 1 5の一次粒子の大きさは略 5 ； a m以上であれば好適である。

また、 開口部 2 0は、 図 3に示すように、 平面視にて、 多数の導電性粒子 1 5 の外縁部 1 5 aにより構成されている。 すなわち、 開口部 2 0における開口 2 0 aは、 複数の導電性粒子 1 5の外縁部 1 5 aで囲まれた空間により形成され、 上 述の庇部 2 6は、 複数の導電性粒子 1 5の外緣部 1 5 aにより構成されている。 また、 エミッ夕部 1 2の上面と上部電極 1 4と該電子放出素子 1 O Aの周囲の 媒質 （例えば、 真空） との接触箇所においてトリプルジャンクション （上部電極 1 4とエミッ夕部 1 2と真空との接触により形成される 3重点） 2 6 cが形成さ れている。 そして、 このトリプルジャンクション 2 6 cは、 上部電極 1 4と下部 電極 1 6との間に駆動電圧 V aを印加した場合に、 電気力線の集中 （電界集中） が生じる箇所 （電界集中部） である。 なお、 ここにいう 「電気力線の集中」 とは 、 仮に上部電極 1 4， エミッ夕部 1 2， 及び下部電極 1 6を側断面視無限長の平 板として電気力線を描く場合に、 下側電極 1 6から均等間隔で発した電気力線が 集中する箇所をいうものとする。 この電気力線の集中 （電界集中） の様子は、 有 限要素法による数値解析によって簡単にシミュレーションすることができる。 こ のトリプルジャンクション 2 6 cは、 開口部 2 0に対応する位置の他、 上部電極 1 4の外周における外縁部にも生ずる。

さらに、 本実施形態においては、 開口部 2 0は、 当該開口部 2 0の内縁 2 6 b が電界集中部となるような形状を備えている。 具体的には、 上記開口部 2 0の庇 部 2 6の側断面視における形状は、 当該庇部 2 6の先端である上記内縁 2 6 に 向かって鋭角に尖っている （厚みが徐々に薄くなつていく） ように形成されてい る。 このような開口部 2 0の形状を有する上部電極 1 4は、 側断面視にて長手方 向を有する形状の粒子である導電性粒子 1 5を、 上述の通り、 当該導電性粒子 1 5の側断面視における長手方向がェミッタ部 1 2の第 1の面 1 2 aに沿うように 「寝た」 状態で配置することにより、 簡易な方法で形成することができる。 ここで、 開口部 2 0は、 平面視にて開口 2 0 aの形状を当該開口 2 0 aの面積 と同面積となるような円形に近似した場合の直径の平均が、 0 . l /^ m以上、 2 0 m以下となるように形成されている。 その理由は、 以下の通りである。 図 2に示すように、 エミッ夕部 1 2のうち、 上部電極 1 4と下部電極 1 6 (図 1参照） 間に印加される駆動電圧 V aに応じて分極が反転あるいは変化する部分 は、 上部電極 1 4が形成されている直下の部分 （第 1の部分） 4 0と、 開口部 2 0の内縁 （内周） から開口部 2 0の内方に向かう領域に対応した部分 （第 2の部 分） 4 2であり、 特に、 第 2の部分 4 2の発生範囲は、 駆動電圧 V aのレベルや 当該部分の電界集中の度合いによって変化することになる。 そして、 本実施形態 における開口 2 0 aの平均径 （0 . 1 m以上、 2 0 / m以下） の範囲であれば 、 開口部 2 0にて放出される電子の放出量が充分稼げるとともに、 効率よく電子 を放出することができる。 すなわち、 開口 2 0 aの平均径が 0 . 1 m未満の場 合、 上部電極 1 4から供給された電子を蓄積して電子放出に寄与する主要な領域 である第 2の部分 4 2の面積が小さくなり、 放出される電子の量が少なくなる。 一方、 開口 2 0 aの平均径が 2 0 を超えると、 ェミッタ部 1 2の前記開口部 2 0から露出した部分のうち、 第 2の部分 4 2の割合 （占有率） が小さくなり、 電子の放出効率が低下する。

次に、 電子放出素子 1 O Aの電子放出原理について、 図 4〜図 6を用いて説明 する。 本実施形態では、 上部電極 1 4と下部電極 1 6との間に印加される駆動電 圧 V aとしては、 図 4に示す通り、 基準電圧を 0 Vとし、 第 1段階としての時間 T 1は、 上部電極 1 4の方が下部電極 1 6よりも低電位となる （負電圧） V 2と なり、 続く第 2段階としての時間 T 2は、.上部電極 1 4の方が下部電極 1 6より も高電位となる （正電圧） V Iとなるような、 周期が （T 1 + T 2 ) である矩形 波が用いられる。

また、 初期状態において、 ェミッタ部 1 2がー方向に分極されていて、 例えば 双極子の負極がェミッタ部 1 2の上面に向いた状態 （図 5 A参照） となっている 場合を想定して説明する。

先ず、 基準電圧が印加されている初期状態では、 図 5 Aに示すように、 双極子 の負極がエミッ夕部 1 2の上面に向いた状態となっていることから、 ェミッタ部 1 2の上面には電子がほとんど蓄積されていない状態となっている。

その後、 負電圧 V 2を印加すると、 分極が反転する （図 5 B参照） 。 この分極 反転によって、 上記した電界集中部である内縁 2 6 bやトリプルジャンクション 2 6 cにおいて電界集中が発生し、 上部電極 1 4における上記の電界集中部から ェミッタ部 1 2の上面 1 2 aに向けた電子放出 （供給） が起こり、 例えば上面 1 2 aのうち、 上部電極 1 4の開口部 2 0から露出する部分や上部電極 1 4の庇部 2 6近傍の部分に電子が蓄積される （図 5 C参照） 。 すなわち、 上面 1 2 aが帯 電することになる。 この帯電は、 ェミッタ部 1 2の表面抵抗値により一定の飽和 状態となるまで可能であるが、 制御電圧の印加時間により帯電量を制御すること が可能である。 このように、 上部電極 1 4 (特に上記電界集中部） が、 エミッ夕 部 1 2 (上面 1 2 a ) への電子供給源として機能する。 その後、 負電圧 V 2から、 図 6 Aの如く一旦基準電圧となった後、 さらに、 正 電圧 V Iが印加されると、 分極が再度反転し （図 6 B参照） 、 双極子の負極によ るクーロン反発力により、 上面 1 2 aに蓄積されていた電子が開口 20 aを通過 して外部に向けて放出される （図 6 C参照） 。

なお、 上部電極 14における、 開口部 20のない外周部における外縁部におい ても、 上述と同様に電子放出が行われている。

また、 本実施形態においては、 図 7に示すように、 電気的な動作において、 上 部電極 14と下部電極 16間に、 エミッ夕部 1 2によるコンデンサ C 1と、 各ギ ヤップ 28による複数のコンデンサ C aの集合体とが形成された形となる。 すな わち、 各ギャップ 28による複数のコンデンサ C aは、 互いに並列に接続された 1つのコンデンサ C 2として構成され、 等価回路的には、 集合体によるコンデン サ C 2にェミッタ部 12によるコンデンサ C 1が直列接続された形となる。 実際には、 集合体によるコンデンサ C 2にエミッタ部 1 2によるコンデンサ C 1がそのまま直列接続されることはなく、 上部電極 14への開口部 20の形成個 数や全体の形成面積等に応じて、 直列接続されるコンデンサ成分が変化する。

ここで、 図 8に示すように、 例えばエミッ夕部 12によるコンデンサ C 1のう ち、 その 25%が集合体によるコンデンサ C 2と直列接続された場合を想定して 、 容量計算を行ってみる。 先ず、 ギャップ 28の部分は真空であることから比誘 電率は 1となる。 そして、 ギャップ 28の最大間隔 dを 0. l m、 1つのギヤ ップ 28の部分の面積 S= 1 /zmxl とし、 ギャップ 28の数を 10， 00 0個とする。 また、 エミッ夕部 12の比誘電率を 2000、 ェミッタ部 1 2の厚 みを 20 / m、 上部電極 14と下部電極 1 6の対向面積を 200 mx200 / mとすると、 集合体によるコンデンサ C 2の容量値は 0. 885 pF、 ェミッタ 部 1 2によるコンデンサ C 1の容量値は 35. 4 p Fとなる。 そして、 エミッ夕 部 12によるコンデンサ C 1のうち、 集合体によるコンデンサ C 2と直列接続さ れている部分を全体の 25 %としたとき、 該直列接続された部分における容量値 (集合体によるコンデンサ C 2の容量値を含めた容量値） は 0. 805 p Fであ り、 残りの容量値は 26. 6 p Fとなる。

これら直列接続された部分と残りの部分は並列接続されているから、 全体の容 量値は、 2 7 . 5 p Fとなる。 この容量値は、 ェミッタ部 1 2によるコンデンサ C 1の容量値 3 5 . 4 p Fの 7 8 %である。 つまり、 全体の容量値は、 エミッ夕 部 1 2によるコンデンサ C 1の容量値よりも小さくなる。

このように、 複数のギャップ 2 8によるコンデンサ C aの集合体については、 ギヤップ 2 8によるコンデンサ C aの容量値が相対的に小さいものとなり、 エミ ッ夕部 1 2によるコンデンサ C 1との分圧から、 印加電圧 V aのほとんどはギヤ ップ 2 8に印加されることになり、 各ギャップ 2 8において、 電子放出の高出力 化が実現される。

また、 集合体によるコンデンサ C 2は、 エミッ夕部 1 2によるコンデンサ C 1 に直列接続された構造となることから、 全体の容量値は、 エミッ夕部 1 2による コンデンサ C 1の容量値よりも小さくなる。 このことから、 電子放出は高出力で あり、 全体の消費電力は小さくなるという好ましい特性を得ることができる。 以上に詳述した通り、 本実施形態に係る電子放出素子 1 O Aにおいては、 上部 電極 1 4に庇部 2 6を形成したことにより、 トリプルジャンクション 2 6じが、 上部電極の内縁 2 6 bとは異なる場所に生じ得る。 さらに、 開口部 2 0は、 当該 開口部 2 0の内縁 2 6 bが電界集中部となるような形状を備えている。 よって、 庇部 2 6がない場合と比して電界集中部の数を大幅に増やすことができる。 特に 、 本実施形態の庇部 2 6は、 当該庇部 2 6の先端である上記内縁 2 6 bに向かつ て鋭角に尖っているように形成されているので、 当該内縁 2 6 bの形状が直角な いし鈍角の場合よりも電界集中の度合いを高め、 エミッ夕部 1 2の上面 1 2 aへ の電子蓄積量を増やすことが可能になる。

また、 ェミッタ部 1 2の上面 1 2 aにおいて、 誘電体の粒界における凸部 3 0 の表面 （凹部 2 4の内壁面） と、 上部電極 1 4の庇部 2 6の下面 2 6 aとのなす 角の最大角度 Θ を、 1 °≤θ≤6 0。とし、 エミッ夕部 1 2の誘電体の粒界におけ る凸部 3 0の表面 （凹部 2 4の内壁面） と、 上部電極 1 4の庇部 2 6の下面 2 6 aとの間の鉛直方向に沿った最大間隔 dを、 0 m< d≤ 1 0 mとしたので、 これらの構成により、 ギャップ 2 8の部分での電界集中の度合いをより大きくす ることができ、 エミッ夕部 1 2の上面 1 2 aへの電子蓄積量を増やすことが可能 になる。 さらに、 上述の庇部 2 6の形成により、 上部電極 1 4のうち、 開口部 2 0の庇 部 2 6におけるエミッタ部 1 2と対向する下面 2 6 aとエミッ夕部 1 2との間に ギャップ 2 8が形成され、 このギャップ 2 8における仮想的なコンデンサの静電 容量の影響で、 駆動電圧 V aのうちの大部分が実質的に当該ギャップ 2 8に印加 されることになり、 開口部 2 0における電界が強くなる。 よって、 開口部 2 0に て同じ電界強度を得るために必要な駆動電圧 V aの絶対値を小さくすることが可 能になる。

また、 上部電極 1 4の庇部 2 6がフォーカス電子レンズ等ゲート電極 （制御電 極、 ） として機能するため、 放出電子の直進性を向上させることができる。 これ は、 電子放出素子 1 O Aを多数並べて例えばディスプレイの電子源として構成し た場合に、 クロストークを低減する上で有利となる。

特に、 本実施形態では、 ェミッタ部 1 2の少なくとも上面 1 2 aは、 誘電体の 粒界による凹凸 2 2が形成され、 上部電極 1 4は、 誘電体の粒界における凹部 2 4に対応した部分に開口部 2 0が形成されるようにしたので、 上部電極 1 4の庇 部 2 6を簡単に実現させることができる。

また、 上部電極 1 4に複数の開口部 2 0を形成したことから、 各開口部 2 0並 びに上部電極 1 4の外周における外縁部から電子が放出されるので、 電子放出素 子 1 O A全体の電子放出特性のばらつきが低減し、 電子放出の制御が容易になる と共に、 電子放出効率が高くなる。

このように、 本実施形態に係る電子放出素子 1 O Aにおいては、 高い電界集中 を容易に発生させることができ、 しかも、 電子放出箇所を多くすることができ、 電界強度も高めることができる。 よって、 電子放出量の向上、 電子放出の高効率 化を図ることができ、 低電圧駆動 ·低消費電力な電子放出素子及びその応用製品 を提供することが可能となる。

次に、 本実施形態に係る電子放出素子 1 O Aを使用して構成されたディスプレ ィ 1 0 0について、 図 9を用いて説明する。

ディスプレイ 1 0 0においては、 図 9に示すように、 上部電極 1 4の上方に、 例えばガラスやアクリル製の透明板 1 3 0が配置され、 該透明板 1 3 0の裏面 （ 上部電極 1 4と対向する面） に例えば透明電極にて構成されたコレクタ電極 1 3 2が配置され、 該コレクタ電極 1 3 2には蛍光体 1 3 4が塗布される。 なお、 コ レクタ電極 1 3 2にはバイアス電圧源 1 3 6 (コレクタ電圧 V c ) が抵抗を介し て接続される。 また、 電子放出素子 1 O Aは、 当然のことながら、 真空空間内に 配置される。 雰囲気中の真空度は、 1 0 ²〜 1 0— ⁶ P aが好ましく、 より好ましく は 1 0—³〜 1 (T⁵ P aである。

このような範囲を選んだ理由は、 低真空では、 （1 ) 空間内に気体分子が多い ため、 プラズマを生成し易く、 プラズマが多量に発生され過ぎると、 その正ィォ ンが多量に上部電極 1 4に衝突して損傷を進めるおそれや、 （2 ) 放出電子がコ レク夕電極 1 3 2に到達する前に気体分子に衝突してしまい、 コレクタ電圧 V c で十分に加速した電子による蛍光体 1 3 4の励起が十分に行われなくなるおそれ があるからである。

一方、 高真空では、 電界が集中するポイントから電子を放出し易いものの、 構 造体の支持、 及び真空のシール部が大きくなり、 小型化に不利になるという問題 があるからである。

次に、 第 2の実施の形態に係る電子放出素子 1 0 Bについて、 図 1 0を参照し ながら説明する。

この第 2の実施の形態に係る電子放出素子 1 0 Bは、 上述した第 1の実施の形 態に係る電子放出素子 1 O Aとほぼ同様の構成を有するが、 上部電極 1 4を構成 する導電性粒子 1 5は、 一次粒子 1 5 aとしてのみならず、 二次粒子 1 5 bとし てもエミッ夕部 1 2の上面 1 2 a上に存在する。 そして、 二次粒子 1 5 bの、 側 断面視における長手方向の長さが、 ェミッタ部 1 2を構成する多結晶体の結晶粒 径よりも大きいことを特徴とする。

この第 2の実施の形態に係る電子放出素子 1 0 Bにおいても、 上述した第 1の 実施の形態に係る電子放出素子 1 O Aと同様の作用 ·効果を奏する。

さらに、 第 3の実施の形態に係る電子放出素子 1 0 Cについて、 図 1 1を参照 しながら説明する。

この第 2の実施の形態に係る電子放出素子 1 0 Cは、 上述した第 1ないし第 2 の実施の形態に係る電子放出素子 1 0 A， 1 O Bとほぼ同様の構成を有するが、 上部電極 1 4は、 上記と同様の導電性粒子 1 5の他、 導電性微粒子 1 9から構成 されている。 かかる導電性微粒子 1 9は、 導電性粒子 1 5の一次粒子の厚さ （側 断面視における長手方向と直交する方向の幅） と略同等か、 それよりも小さいこ とが好適である。 例えば、 導 ¾性粒子 1 5の厚みが約 2 / mである場合、 導電性 微粒子 1 9の平均粒径は、 好ましくは l m以下、 より好ましくは 0 . 5 m以 下である。 これにより、 同一の上部電極 1 4内における各導電性粒子 1 5間の導 通が容易に確保され得る。

ここで、 前記導電性微粒子 1 9は、 図 1 1に示されているように、 上部電極 1 4の表面上、 特に庇部 2 6にて露呈されていることが好適である。 これにより、 当該導電性微粒子 1 9が上部電極 1 4の表面に突起物の如く存在することとなる ので、 この突起形状による効果から、 この導電性微粒子 1 9も電界集中部となり 得るため、 エミッ夕部 1 2の上面 1 2 aに対する電子供給箇所をさらに増加させ ることができる。 また、 導電性微粒子 1 9は、 開口部 2 0に対応するェミッタ部 1 2の上面 1 2 a上にも付着していることがさらに好適である。 これにより、 誘 電体で構成されたェミッタ部 1 2上に、 上記導電性微粒子 1 9からなる微小なフ ロート電極が設けられることとなる。 このフロート電極は、 上部電極 1 4からェ ミツ夕部 1 2に対して放出された電子を多量に蓄積するために好適であり、 電子 放出素子における電子放出量をさらに増加させることができるものであるところ 、 このフロート電極を前記導電性微粒子 1 9により構成すれば、 例えば、 後述す るように、 上部電極 1 4をェミッタ部 1 2の上面 1 2 a上に形成する際に導電性 粒子 1 5と導電性微粒子 1 9とを混合してエミッ夕部 1 2の上面 1 2 a上に塗布 する等、 簡単な工程でフロート電極をエミッ夕部 1 2の上面 1 2 a上に設けるこ とができる。

さらに、 上記の導電性粒子 1 5として炭素系材料 （例えば黒鉛） 、 導電性微粒 子 1 9として銀を用いた場合で、 上部電極 1 4の形成の際に加熱処理がおこなわ れるときは、 この加熱処理の際に、 銀の微粒子の周りの黒鉛等が酸化により侵食 されるために、 上部電極 1 4の外縁部の形状が、 鋭い端部を有するものや、 電極 内部に貫通孔による開口部を有するものとなりやすい。 これにより、 電界集中部 がさらに増加し得ることとなり、 より好適な電極形状を得ることが可能になる。 ここで、 上述のような構成を有する本発明の電子放出素子の製造方法について 、 実施例を交えて説明する。

エミッ夕部 12を構成する誘電体は、 好適には、 比誘電率が比較的高い、 例え ば 1000以上の誘電体を採用することができる。 このような誘電体としては、 チタン酸バリウムのほかに、 ジルコン酸鉛、 マグネシウムニオブ酸鉛、 ニッケル ニオブ酸鉛、 亜鉛ニオブ酸鉛、 マンガンニオブ酸鉛、 マグネシウムタンタル酸鉛 、 ニッケルタンタル酸鉛、 アンチモンスズ酸鉛、 チタン酸鉛、 マグネシウムタン ダステン酸鉛、 コバルトニオブ酸鉛等、 又はこれらの任意の組み合わせを含有す るセラミックスや、 主成分がこれらの化合物を 50重量％以上含有するものや、 前記セラミックスに対して、 さらにランタン、 カルシウム、 ストロンチウム、 モ リブデン、 タングステン、 バリウム、 ニオブ、 亜鉛、 ニッケル、 マンガン等の酸 化物、 もしくはこれらのいずれかの組み合わせ、 又は他の化合物を適切に添加し たもの等を挙げることができる。

例えば、 マグネシウムニオブ酸鉛 （PMN) とチタン酸鉛 （PT) の 2成分系 n PMN-mPT (n、 mをモル数比とする） においては、 PMNのモル数比を 大きくすると、 キュリー点が下げられて、 室温での比誘電率 大きくすることが できる。

特に、 n = 0. 85〜1. 0、 m= l. 0— nでは比誘電率 3000以上とな り好ましい。 例えば、 n= 0. 9 1、 m=0. 09では室温の比誘電率 1 500 0が得られ、 n = 0. 95、 m=0. 05では室温の比誘電率 20000が得ら れる。

次に、 マグネシウムニオブ酸鉛 （PMN) 、 チタン酸鉛 （PT) 、 ジルコン酸 鉛 （P Z) の 3成分系では、 PMNのモル数比を大きくするほかに、 正方晶と擬 立方晶又は正方晶と菱面体晶のモルフオ ト 口 ピック相境界 （M P B ： Morphotropic Phase Boundary) 付近の組成とすることが比誘電率を大きくする のに好ましい。 例えば、 PMN : PT : P Z = 0. 375 : 0. 375 : 0. 2 5にて比誘電率 5500、 PMN : PT : P Z = 0. 5 : 0. 375 : 0. 1 2 5にて比誘電率 4500となり、 特に好ましい。 さらに、 絶縁性が確保できる範 囲内でこれらの誘電体に白金のような金属を混入して、 誘電率を向上させるのが 好ましい。 この場合、 例えば、 誘電体に白金を重量比で 20 %混入させるとよい また、 ェミッタ部 1 2は、 上述したように、 圧電ノ電歪層や反強誘電体層等を 用いることができるが、 ェミッタ部 1 2として圧電ノ電歪層を用いる場合、 該圧 電 Z電歪層としては、 例えば、 ジルコン酸鉛、 マグネシウムニオブ酸鉛、 ニッケ ルニオブ酸鉛、 亜鉛ニオブ酸鉛、 マンガンニオブ酸鉛、 マグネシウムタンタル酸 鉛、 ニッケルタンタル酸鉛、 アンチモンスズ酸鉛、 チタン酸鉛、 チタン酸バリウ ム、 マグネシウムタングステン酸鉛、 コバルトニオブ酸鉛等、 又はこれらのいず れかの組み合わせを含有するセラミックスが挙げられる。

主成分がこれらの化合物を 5 0重量％以上含有するものであってもよいことは いうまでもない。 また、 前記セラミックスのうち、 ジルコン酸鉛を含有するセラ ミックスは、 ェミッタ部 1 2を構成する圧電 Z電歪層の構成材料として最も使用 頻度が高い。

また、 圧電/電歪層をセラミックスにて構成する場合、 前記セラミックスに、 さらに、 ランタン、 カルシウム、 ストロンチウム、 モリブデン、 タングステン、 バリウム、 ニオブ、 亜鉛、 ニッケル、 マンガン等の酸化物、 もしくはこれらのい ずれかの組み合わせ、 又は他の化合物を、 適宜、 添加したセラミックスを用いて もよい。 また、 前記セラミックスに S i〇₂、 C e〇₂、 P b ₅G e ₃〇_uもしくはこ れらのいずれかの組み合わせを添加したセラミックスを用いてもよい。 具体的に は、 P T— P Z— P M N系圧電材料に S i 0₂を 0 . 2 w t %、 もしくは C e〇₂ を 0 . l w t %、 もしくは P b ₅ G e ₃〇_u を 1〜 2 w t %添加した材料が好まし い。

例えば、 マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛及びチタン酸鉛とからなる成 分を主成分とし、 さらにランタンやストロンチウムを含有するセラミックスを用 いることが好ましい。

圧電ノ電歪層は、 緻密であっても、 多孔質であってもよく、 多孔質の場合、 そ の気孔率は 4 0 %以下であることが好ましい。

エミッ夕部 1 2として反強誘電体層を用いる場合、 該反強誘電体層としては、 ジルコン酸鉛を主成分とするもの、 ジルコン酸鉛とスズ酸鉛とからなる成分を主 成分とするもの、 さらにはジルコン酸鉛に酸化ランタンを添加したもの、 ジルコ ン酸鉛とスズ酸鉛とからなる成分に対してジルコン酸鉛やニオブ酸鉛を添加した ものが望ましい。

また、 この反強誘電体層は、 多孔質であってもよく、 多孔質の場合、 その気孔 率は 30 %以下であることが望ましい。

さらに、 エミッ夕部 1 2にタンタル酸ビスマス酸ストロンチウム （S r B i ₂ T a₂〇₉) を用いた場合、 分極反転疲労が小さく好ましい。 このような分極反転 疲労が小さい材料は、 層状強誘電体化合物で、 （B i〇₂) ⁿ (A_m.,B_m0_3m+,) .²—と いう一般式で表される。 ここで、 金属 Aのイオンは、 C a²⁺、 S r²⁺、 B a²⁺、 P b²⁺、 B i ³⁺、 L a ³⁺等であり、 金属 Bのイオンは、 T i ⁴⁺、 Ta⁵⁺、 Nb⁵⁺等であ る。 さらに、 チタン酸バリウム系、 ジルコン酸鉛系、 PZT系の圧電セラミック スに添加剤を加えて半導体化させることも可能である。 この場合、 エミッ夕部 1 2内で不均一な電界分布をもたせて、 電子放出に寄与する上部電極 14との界面 近傍に電界集中を行うことが可能となる。

また、 圧電 Z電歪 Z反強誘電体セラミックスに、 例えば鉛ホウケィ酸ガラス等 のガラス成分や、 他の低融点化合物 （例えば酸化ビスマス等） を混ぜることによ つて、 焼成温度を下げることができる。

また、 圧電/電歪 Z反強誘電体セラミックスで構成する場合、 その形状はシ一 ト状の成形体、 シート状の積層体、 あるいは、 これらを他の支持用基板に積層又 は接着したものであってもよい。

また、 ェミッタ部 1 2に非鉛系の材料を使用する等により、 エミッ夕部 1 2を 融点もしくは蒸散温度の高い材料とすることで、 電子もしくはイオンの衝突に対 し損傷しにくくなる。

そして、 エミッ夕部 12を形成する方法としては、 スクリーン印刷法、 デイツ ビング法、 塗布法、 電気泳動法、 エアロゾルデポジション法等の各種厚膜形成法 や、 イオンビーム法、 スパッタリング法、 真空蒸着法、 イオンプレーティング法 、 化学気相成長法 （CVD) 、 めっき等の各種薄膜形成法を用いることができる 。 特に、 圧電/電歪材料の粉末化したものを、 エミッ夕部 1 2として形成し、 こ れに低融点のガラスゃゾル粒子を含浸する方法をとることが好ましい。 この手法 により、 70 Ot:あるいは 600°C以下といった低温での膜形成が可能となる。 本実施形態の上部電極 1 4を構成する導電性粒子 1 5としては、 好適には、 鱗 片状黒鉛粉末や金属粉末等の鱗片状粉末や、 カーボンナノチューブ等の針状ない し棒状粉末が用いられる。 この上部電極 1 4を形成する方法としては、 上記の鱗 片状粉末を、 （必要に応じて分散剤を用いつつ） ェチルセルロース等の有機溶媒 (バインダ） に分散してペーストを作成し、 このペーストを用いて、 スピンコ一 ト、 スクリーン印刷、 デイツビング、 スプレー塗布等によって、 エミッ夕部 1 2 の上面に上記ペーストの厚膜を形成し、 この厚膜形成されたべ一ストを熱処理す る方法等が用いられ得る。 厚膜形成する場合、 ペースト粘度を上記厚膜形成に適 した 1 0万〜 2 0万 c p程度とした場合、 印刷後の膜厚は 1 〜 2 5 m程度が 好ましく、 より好ましくは 3〜 1 5 m程度とされる。 膜厚が厚すぎると、 開口 部 2 0の大きさが小さくなりすぎ、 逆に膜厚が薄すぎると、 1つの上部電極 1 4 内における導通が確保できなくなる。 そして、 上記の範囲の膜厚の厚膜形成をし た後、 熱処理を行うことで、 上部電極 1 4となるべきエミッ夕部 1 2上の形成膜 が、 バインダの分解とともに電極材のみとなると同時に、 複数の開口部 2 0が形 成されていき、 結果的に、 何らマスキング処理等の特別なパターニング処理を施 すことなく、 図 1等に示すように、 上部電極 1 4に複数の開口部 2 0及び庇部 2 6が形成される。 ここで、 焼成の際の雰囲気は、 窒素など不活性ガス雰囲気中で あることが （特に炭素系材料を用いた場合に） 好ましいが、 ペースト中の導電性 粒子 1 5の配合比を適宜調整すれば、 大気中その他の酸素雰囲気中 （減圧下も含 む） でも可能である。

上部電極 1 4を形成する際には、 上述の通り、 より好適には導電性微粒子 1 9 も添加される。 かかる導電性微粒子 1 9は、 金属微粒子の他、 球状化黒鉛粉末や カーボンブラック等の炭素系微粒子を用いることができる。 導電性微粒子 1 9を 添加する場合は、 所定の粒径に分級された金属微粒子を用いる他、 焼成により最 終的に導電性微粒子となりうるものが利用可能であり、 例えばレジネート等を用 いてもよい。

導電性粒子 1 5として炭素系材料を用いる場合 （特に大気中その他の酸素雰囲 気中） には、 上部電極 1 4を熱処理する際の温度は、 好ましくは 5 0 0度以下と するとともに、 導電性微粒子 1 9を添加する場合は、 この導電性微粒子 1 9が所 定の粒径を超えて凝集ないし粒成長しないような温度を選択する必要がある。 一方、 下部電極 1 6は、 導電性を有する物質、 例えば金属が用いられ、 白金、 モリブデン、 タングステン等によって構成される。 また、 高温酸化雰囲気に対し て耐性を有する導体、 例えば金属単体、 合金、 絶縁性セラミックスと金属単体と の混合物、 絶縁性セラミックスと合金との混合物等によって構成され、 好適には 、 白金、 イリジウム、 パラジウム、 ロジウム、 モリブデン等の高融点貴金属や、 銀—パラジウム、 銀一白金、 白金一パラジウム等の合金を主成分とするものや、 白金とセラミック材料とのサーメット材料によって構成される。 さらに好適には 、 白金のみ又は白金系の合金を主成分とする材料によって構成される。 また、 下 部電極 1 6として、 カーボン、 グラフアイト系の材料を用いてもよい。 なお、 電 極材料中に添加されるセラミック材料の割合は、 5〜3 0体積％程度が好適であ る。 もちろん、 上述した上部電極と同様の材料を用いるようにしてもよい。 そし て、 下部電極 1 6を上述の金属や炭素系材料により形成する場合、 好適には上記 厚膜形成法が用いられる。 '

本電子放出素子 1 0 A〜1 0 Cは、 ェミッタ部 1 2、 上部電極 1 4及び下部電 極 1 6をそれぞれ形成するたびに熱処理 （焼成処理） することで、 一体構造にす ることができる。 なお、 上部電極 1 4や下部電極 1 6の焼成の際に、 必要に応じ てガラスや合成樹脂等を （バインダとして） 併用すれば、 エミッ夕部 1 2との接 着性が向上する。 ェミッタ部 1 2及び下部電極 1 6を一体化させるための焼成処 理に係る温度としては、 5 0 0〜 1 4 0 0 ^の範囲、 好適には、 1 0 0 0〜 1 4 0 O t:の範囲とするとよい。 さらに、 膜状のエミッ夕部 1 2を熱処理する場合、 高温時にェミッタ部 1 2の組成が不安定にならないように、 エミッ夕部 1 2の蒸 発源と共に雰囲気制御を行いながら焼成処理を行うことが好ましい。

なお、 エミッ夕部 1 2を適切な部材によって被覆し、 該ェミツ夕部 1 2の表面 が焼成雰囲気に直接露出しないようにして焼成する方法を採用してもよい。

[実施例]

次に、 本発明に係る電子放出素子を製造する方法であって、 特に上部電極 1 4 を形成する方法について、 好適な実施例を示す。

本実施例では、 導電性粒子 1 5として鱗片状黒鉛粒子を用いるとともに、 導電 性微粒子 1 9として銀微粒子を添加した場合を示す。

上部電極 14を形成する場合、 鱗片状黒鉛粉末粒子とバインダとを、 （必要に 応じて分散剤を使用して） 混合し、 これに、 Agレジネート又は Agインクをさ らに添加することでペーストを得て、 このペーストを、 エミッ夕部 12となる誘 電体上に塗布し、 熱処理する。

黒鉛とバインダとの比率は、 黒鉛：バインダ = 1 ： 2〜2 ： 1の範囲が好適で ある。 バインダは、 好ましくは 400 以下にて分解する合成樹脂が用いられる 。 銀微粒子の配合比は、 黒鉛と銀との体積比で、 黒鉛：銀 = 5 ： 5〜9. 5 : 0 . 5の範囲が適用可能で、 7 ： 3〜9 ： 1が好適である。 A gインクを用いる場 合、 インク中に分散している銀微粒子の粒子径は、 1 m以下が好適であり、 0 . 5 m以下がより好適である。 銀微粒子の粒子径が上記範囲より大きい場合は 、 粉砕 ·解砕等の前処理を行う。

熱処理は、 銀微粒子が上記範囲よりも粗大にならないように、 好ましくは 45 0°C以下、 より好ましくは約 400でにて行われる。 また、 加熱焼成の際の雰囲 気は、 炭素が銀粒子の存在下で酸化が促進されることで黒鉛粒子が侵食されるた め、 酸素を含む雰囲気下の場合は、 窒素雰囲気下の場合よりも若千黒鉛量を多め にすることがあり得る。

(実施例 1 )

鱗片状黒鉛粉末 （日本黒鉛工業株式会社製 商品名 「S P 20」 （平均粒径 1 5 m、 厚み約 2 /m) ) 10重量部と、 分散剤 （独ビックケミ一社製 D i s p e r by k- 108) 1重量部と、 バインダ （ェチルセルロースと 2—ェ チルへキサノールとを 25 :.75の割合で混合したもの） 25重量部とを、 3 本ロールミルにて混合した。 なお、 黒鉛粉末が凝集している場合、 前処理として 、 ホモジナイザ一等を用いて解砕する必要がある。

次に、 上記の混合物に対し、 A gレジネート （ナミックス株式会社製 商品名 XE 109 - 4) を、 黒鉛と銀の体積比が 9 ： 1となるように加え、 3本ロール ミルにて混合し、 ペーストを得た。

そして、 このべ一ストをテルビネオールで希釈することで、 粘度を 10万〜 2 0万 c p程度に調整し、 誘電体上にスクリーン印刷により 1 5 m塗布した。 そ の後、 加熱炉中において、 1 5分間で 400 まで昇温した後、 400度で 2時 間程度、 空気雰囲気 （大気圧） 下で加熱し、 炉内で徐冷することで、 誘電体上に 、 鱗片状黒鉛の層が数層程度となるような厚さで電極が形成された。 この電極を 電子顕微鏡で観察したところ、 数〜 1 0

部の形成が確認された。

(実施例 2)

鱗片状黒鉛粉末 （T I MCAL社製 商品名 「KS 2 5」 （平均粒径 2 5 /zm 、 厚み約 2 j m) ) と、 A gインクを用いた以外は、 上記実施例 1と同様である 。 Agインクは、 銀の微粒子を分散媒中に分散したインクであって、 ハリマ化成 株式会社製 商品名 「NP S— J」 （平均粒径約 7 nm) 5重量部と、 低重合 度ポリビニルプチラール （積水化学工業株式会社製 エスレック B BL-S) 1 0重量部と、 テルビネオール 1 0重量部とを混合したものを用い、 配合比は上 記実施例 1と同様である。 この実施例 2によっても、 上記実施例 1と同様に、 数 〜 1 0 im程度の開口部の形成が確認された。

なお、 本発明に係る電子放出素子は、 上述の実施の形態に限定されるものでは なく、 本発明の本質的部分を変更しない限りにおいて、 種々の構成を採り得るこ とはもちろんである。

例えば、 内縁にて電界集中部となるような開口部 2 0の形状について、 上記各 実施形態にて説明した形状の他、 例えば、 図 1 2〜 1 5のような様々な形状とす ることが可能である。

また、 図 1 5に示すように、 ェミッタ部 1 2の上面 1 2 aのうち、 開口部 20 と対応する部分にフローティング電極 50を存在させてもよい。

さらに、 上記実施形態の製造方法においては、 上部電極 14の開口部 20は、 ペーストの粘度や配合比、 膜厚制御により、 単に厚膜形成するだけで、 特段のマ スキング等を用いなくても形成することができるが、 図 1 7に示すように、 特定 形状の孔 32が形成されるようにマスキング等を用いて形成しても差し支えない 。 この場合、 孔 32は微視的に見れば、 導電性粒子 1 5の形状の影響で、 いびつ な形状を有しており、 エミッ夕部 1 2に対する電子供給箇所の増加という作用 · 効果を奏することができる。

Claims

1 . 誘電体で構成されたェミッタ部と、 そのエミッ夕部の第 1の面に形成される とともに開口部を有する第 1の電極と、 前記エミッタ部の第 2の面に形成された 第 2の電極とを備え、 前記第 1の電極と前記第 2の電極との間に駆動電圧を印加 することにより、 前記エミッ夕部から前記開口部を介して電子を放出するように 構成された電子放出素子であっ ¾冃て、

前記第 1の電極は、 前記開口部における前記第 1の面と対向する面と当該第 1 の面とが離隔して配設されているととものに、

前記開口部の形状は、 当該開口部の内縁にて電気力線が集中するような形状 範

を備えていることを特徴とする電子放出素子。

囲

2 . 誘電体で構成されたェミツ夕部と、 そのェミッタ部の第 1の面に形成される とともに開口部を有する第 1の電極と、 前記エミッ夕部の第 2の面に形成された 第 2の電極とを備え、 前記第 1の電極と前記第 2の電極との間に駆動電圧を印加 することにより、 前記エミッタ部から前記開口部を介して電子を放出するように 構成された電子放出素子であって、

側断面視で長手方向を有する形状であって、 前記エミッ夕部の前記第 1の面上 にて、 前記長手方向が前記第 1の面に沿うように配置された複数の導電性粒子の 集合体によって、 前記第 1の電極が構成されており、

前記開口部は、 複数の前記導電性粒子の外縁部により構成されたことを特徴 とする電子放出素子。

3 . 請求の範囲 2に記載の電子放出素子において、

前記エミッタ部は多結晶体により構成され、

前記第 1の電極は、 前記導電性粒子の 1次粒子及び/又はその 1次粒子が集ま つた 2次粒子が、 前記エミッ夕部の前記第 1の面上に複数配置されることにより 形成され、

前記 1次粒子又は 2次粒子の、 側断面視における長手方向の長さは、 前記多結 晶体の結晶粒の平均粒径よりも長いことを特徴とする電子放出素子。

4 . 請求の範囲 1ないし 3のいずれかに記載の電子放出素子において、 前記第 1の電極が黒鉛からなることを特徴とする電子放出素子。

5 . 請求の範囲 1ないし 4のいずれかに記載の電子放出素子において、

前記第 1の電極は、 更に導電性の微粒子を含むことを特徴とする電子放出素子

6 . 請求の範囲 5に記載の電子放出素子において、

前記微粒子が、 前記開口部に対応する前記エミッ夕部の前記第 1の面上にも付 着していることを特徴とする電子放出素子。

7 . 請求の範囲 5又は 6に記載の電子放出素子において、

前記微粒子が銀からなることを特徴とする電子放出素子。

8 . 誘電体で構成されたェミッタ部と、 そのエミッ夕部の第 1の面に形成され、 開口部を有する第 1の電極と、 前記エミッ夕部の第 2の面に形成された第 2の電 極とを備え、 前記第 1の電極と前記第 2の電極との間に駆動電圧を印加すること により、 前記エミッ夕部から前記開口部を介して電子を放出するように構成され た電子放出素子を製造するための、 電子放出素子の製造方法であって、

側断面視で長手方向を有する形状の導電性粒子が分散媒に分散されてなるベー ストを調製し、

前記エミッ夕部の前記第 1の面上に、 前記ペーストからなる膜を形成し、 前記の膜を加熱することで前記第 1の電極を形成することを特徴とする電子 放出素子の製造方法。

9 . 請求の範囲 8に記載の電子放出素子の製造方法において、

前記ペーストを調製する際、 導電性の微粒子を前記分散媒に分散させることを 特徴とする電子放出素子の製造方法。