電子放出素子、電子放出装置、自発光デバイス、画像表示装置、冷却装置、および帯電装置
【課題】電子加速層で導電微粒子が均一に分散されており、電子を長期間安定して放出させることが可能な電子放出素子を提供する。
【解決手段】微粒子層４には、導電微粒子６と導電微粒子６の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子５とが含まれており、微粒子層４における導電微粒子６の凝集体の平均粒径は０．３５μｍ以下である。
【解決手段】微粒子層４には、導電微粒子６と導電微粒子６の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子５とが含まれており、微粒子層４における導電微粒子６の凝集体の平均粒径は０．３５μｍ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を印加することにより電子を放出する電子放出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子放出素子として、スピント（Ｓｐｉｎｄｔ）型電極、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）型電極などが知られている。このような電子放出素子は、例えば、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）の分野に応用検討されている。このような電子放出素子は、尖鋭形状部に電圧を印加して約１ＧＶ／ｍの強電界を形成し、トンネル効果により電子放出させる。
【０００３】
しかしながら、これら２つのタイプの電子放出素子は、電子放出部表面近傍が強電界であるため、放出された電子は電界により大きなエネルギーを得て気体分子を電離しやすくなる。気体分子の電離により生じた陽イオンは強電界により素子の表面方向に加速衝突し、スパッタリングによる素子破壊が生じるという問題がある。また、大気中の酸素は電離エネルギーより解離エネルギーが低いため、イオンの発生より先にオゾンを発生する。オゾンは人体に有害である上、その強い酸化力により様々なものを酸化することから、素子の周囲の部材にダメージを与えるという問題が存在し、これを避けるために周辺部材には耐オゾン性の高い材料を用いなければならないという制限が生じている。
【０００４】
そこで、上記とは別のタイプの電子放出素子として、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）型やＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の電子放出素子が知られている。これらは素子内部の量子サイズ効果及び強電界を利用して電子を加速し、平面状の素子表面から電子を放出させる面放出型の電子放出素子である。これらは素子内部で加速した電子を放出するため、素子外部に強電界を必要としない。従って、ＭＩＭ型及びＭＩＳ型の電子放出素子においては、上記スピント型やＣＮＴ型、ＢＮ型の電子放出素子のように気体分子の電離によるスパッタリングで破壊されるという問題やオゾンが発生するという問題を克服できる。
【０００５】
例えば特許文献１には、２枚の電極の間に金属などの微粒子を分散させた絶縁体膜を電子加速層として設け、一方の電極から電子加速層中に電子を注入し、注入した電子を電子加速層で加速させ、他方の電極を通して電子を放出するＭＩＭ形電子放出素子が開示されている。特許文献１では、この厚みを数十Å〜１０００Åとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２９８６２３号公報（平成１年１２月１日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に数ｎｍから数百ｎｍの微粒子を溶媒中および固体中に均一分散することは難しい。そのため、電子加速層として絶縁体膜に金属微粒子を含むＭＩＭ型の従来の電子放出素子は、金属微粒子の分散状態が不均一である。金属微粒子の分散状態が不均一であることは素子の寿命が短くなる原因となっている。金属微粒子の分散状態が不均一であると、金属微粒子の凝集体が絶縁体膜中に存在しやすく、金属微粒子の凝集が絶縁体膜中に存在すると、素子に電圧を印加したときに、導電路が形成されやすく、絶縁破壊が生じやすくなるためである。よって、従来の電子放出素子を利用した装置は、装置の寿命が短くなる。また、例えば従来の電子放出素子をディスプレイに適用した場合、金属微粒子の分散状態が不均一であると、輝度ムラを生じることになる。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、電子加速層で導電微粒子が均一に分散されており、電子を長期間安定に放出できる電子放出素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電子放出素子は、上記課題を解決するために、電極基板と薄膜電極と該電極基板および該薄膜電極とに挟持された電子加速層とを有し、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧が印加されると、上記電子加速層で電子を加速させて、上記薄膜電極から該電子を放出させる電子放出素子であって、上記電子加速層には、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子とが含まれており、上記電子加速層において上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は、０．３５μｍ以下となっていることを特徴としている。
【００１０】
上記構成によると、電極基板と薄膜電極との間には、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子とが含まれる電子加速層が設けられており、この電子加速層は、絶縁体微粒子と導電微粒子とが緻密に集合した層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。ここで、上記電子加速層における上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は０．３５μｍ以下となっている。上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は、上記導電微粒子の一次平均粒径よりも大きいが、それが、０．３５μｍ以下となっていると、後述の実施例からわかるように、電子加速層中で絶縁破壊が生じるほどの大きな凝集体はできておらず、導電微粒子は電子加速層中で均一に分散されているということができる。
【００１１】
従来は、導電微粒子を電子加速層中に均一に分散できなかった。しかし、本発明に係る電子放出素子は、上記のように、導電微粒子が電子加速層中に均一に分散されており、素子の長寿命を図ることができ、電子を長期間安定して放出できる。
【００１２】
また、本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子は、抗酸化力が高い導電体であってもよい。
【００１３】
ここで、ここで言う抗酸化力が高いとは、酸化物形成反応の低いことを指す。一般的に熱力学計算より求めた、酸化物生成自由エネルギーの変化量ΔＧ［ｋＪ／ｍｏｌ］値が負で大きい程、酸化物の生成反応が起こり易いことを表す。本発明ではΔＧ＞−４５０［ｋＪ／ｍｏｌ］以上に該当する金属元素が、抗酸化力の高い導電微粒子として該当する。また、該当する導電微粒子の周囲に、その導電微粒子の粒径よりも小さい絶縁体物質を付着、または被覆することで、酸化物の生成反応をより起こし難くした状態の導電微粒子も、抗酸化力が高い導電微粒子に含まれる。
【００１４】
上記構成によると、導電微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難いため、電子放出素子を大気圧中でも安定して動作させることができる。よって、寿命を長くでき、大気中でも長時間連続動作をさせることができる。
【００１５】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子は、貴金属であってもよい。このように、上記導電微粒子が、貴金属であることで、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化を図ることができる。
【００１６】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子は、導電性を制御する必要から、上記絶縁体物質の大きさよりも小さくなければならず、上記導電微粒子の一次平均粒径は３〜１０ｎｍであるのが好ましい。このように、上記導電微粒子の一次平均粒径を、上記絶縁体物質よりも小さく、好ましくは３〜１０ｎｍとすることにより、電子加速層内で、導電微粒子による導電パスが形成されず、電子加速層内での絶縁破壊が起こり難くなる。また原理的には不明確な点が多いが、粒子径が上記範囲内の導電微粒子を用いることで、弾道電子が効率よく生成される。
【００１７】
ここで、上記絶縁体微粒子は、その平均粒径が１０〜１０００ｎｍであるのが好ましく、１２〜１１０ｎｍであるのがより好ましい。この場合、粒径の分散状態は平均粒径に対してブロードであってもよく、例えば平均粒径５０ｎｍの微粒子は、２０〜１００ｎｍの領域にその粒径分布を有していても問題ない。上記微粒子である絶縁体物質の平均粒径を好ましくは１０〜１０００ｎｍ、より好ましくは１２〜１１０ｎｍとすることにより、上記絶縁体物質の大きさよりも小さい上記導電微粒子の内部から外部へと効率よく熱伝導させて、素子内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができ、電子放出素子が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、上記電子加速層における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。
【００１８】
本発明の電子放出素子の製造方法は、上記課題を解決するために、電極基板と、薄膜電極と、該電極基板および該薄膜電極に挟持され、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子とを含む電子加速層と、を有し、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧が印加されると、上記電子加速層で電子を加速させて、上記薄膜電極から該電子を放出させる電子放出素子の製造方法であって、上記電極基板上に、上記導電微粒子のナノコロイド液を液体の状態で用いて上記電子加速層を形成する電子加速層形成ステップを含むことを特徴としている。
【００１９】
上記方法によると、導電微粒子のナノコロイド液を液体の状態で用いて上記電子加速層を形成する。ここで、素子の製造工程において、ドライアップした導電微粒子を使用すると、凝集しているため、溶媒中に一次粒径近くまで再分散させることは困難である。また、溶媒中に分散状態で存在する導電微粒子を使用した場合においても、別の溶媒に混合すると、一般的に分散安定性が悪化して凝集してしまう。従って、凝集した粒径の大きな導電微粒子が電子加速層中に分散してしまい、絶縁破壊が生じやすくなる。
【００２０】
しかし本発明に係る上記方法では、ナノコロイド液を液体の状態で使用しているため、導電微粒子が均一分散した電子加速層を形成することができる。よって、本発明に係る上記方法では、素子の長寿命を図ることができ、電子を長期間安定して放出でき、かつ、電子放出電流を多くすることができる。
【００２１】
ここで、上記導電微粒子はコロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下となっているのが好ましい。コロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下の導電微粒子を用いることで、電子加速層での導電微粒子の分散性を高めることができる。
【００２２】
本発明の電子放出素子の製造方法では、上記方法に加え、上記電子加速層形成ステップで、上記導電微粒子のナノコロイド液と上記絶縁体微粒子とを分散した溶媒とを混合し、上記電極基板上に塗布してもよい。
【００２３】
上記方法によると、導電微粒子のナノコロイド液と絶縁体微粒子を分散した溶媒とを混合することで、導電微粒子が均一に分散した電子加速層を簡易に形成できる。
【００２４】
本発明の電子放出装置は、上記課題と解決するために、上記いずれか１つの電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を備えたことを特徴としている。
【００２５】
上記構成によると、電子加速層で導電微粒子が均一に分散されており、電子放出装置は、電子を長期間安定して放出することが可能となる。
【００２６】
さらに、本発明の電子放出素子を自発光デバイス、及びこの自発光デバイスを備えた画像表示装置に用いることにより、輝度ムラを抑制した、電子を安定して放出でき長寿命な面発光を実現する自発光デバイス、及び画像表示装置を提供することができる。
【００２７】
また、導電微粒子に抗酸化力が高い金属を用いた本発明の電子放出素子を、冷却装置に用いることにより、大気中でも電子を長期安定して放出して高効率で冷却を行うことができる。
【００２８】
また、導電微粒子に抗酸化力が高い金属を用いた本発明の電子放出素子を、帯電装置に用いることにより、大気中でも電子を長期安定して放出して被帯電体を帯電させることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の電子放出素子は、上記のように、上記電子加速層には、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい絶縁体物質とが含まれており、上記電子加速層に上記導電微粒子の凝集体が含まれる場合、該凝集体の平均粒径は０．３５μｍ以下となっている。
【００３０】
上記構成によると、電極基板と薄膜電極との間には、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい絶縁体物質とが含まれる電子加速層が設けられており、この電子加速層は、絶縁体微粒子と導電微粒子とが緻密に集合した層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。ここで、上記電子加速層における上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は０．３５μｍ以下となっている。上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は、上記導電微粒子の一次平均粒径よりも大きいが、それが、０．３５μｍ以下となっていると、後述の実施例からわかるように、電子加速層中で絶縁破壊が生じるほどの大きな凝集体はできておらず、導電微粒子は均一に分散されているということができる。
【００３１】
従来は、導電微粒子を電子加速層中に均一に分散できなかった。しかし、本発明に係る電子放出素子は、上記のように、導電微粒子が電子加速層中に均一に分散されており、素子の長寿命を図ることができ、電子を長期間安定して放出させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図２】図１の電子放出素子における微粒子層付近の断面の拡大図である。
【図３】電子放出素子のＴＥＭ写真であり導電微粒子が均一に分散されていることを示す図である。
【図４】電子放出素子のＴＥＭ写真であり導電微粒子の不均一に分散されていることを示す図である。
【図５】電子放出実験の測定系を示す図である。
【図６】電子放出素子の発光実験装置を示す図である。
【図７】電子放出素子の発光実験装置の上面写真を示す図である。
【図８】実施例の電子放出素子の蛍光体での発光実験の結果を示す図である。
【図９】実施例の電子放出素子の導電微粒子における粒径の分布測定結果を示す図である。
【図１０】他の実施例の電子放出素子の蛍光体での発光実験の結果を示す図である。
【図１１】他の実施例の電子放出素子の導電微粒子における粒径の分布測定結果を示す図である。
【図１２】比較例の電子放出素子の導電微粒子における粒径の分布測定結果を示す図である。
【図１３】本発明の電子放出素子を用いた帯電装置の一例を示す図である。
【図１４】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの一例を示す図である。
【図１５】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの他の一例を示す図である。
【図１６】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの更に別の一例を示す図である。
【図１７】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスを具備する画像形成装置の他の一例を示す図である。
【図１８】本発明に係る電子放出素子を用いた送風装置及びそれを具備した冷却装置の一例を示す図である。
【図１９】本発明の電子放出素子を用いた送風装置及びそれを具備した冷却装置の別の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の電子放出素子の実施形態および実施例について、図１〜１６を参照しながら具体的に説明する。なお、以下に記述する実施の形態および実施例は本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれらよって限定されるものではない。
【００３４】
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の電子放出素子の一実施形態の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の電子放出素子１は、下部電極となる基板（電極基板）２と、上部電極（薄膜電極）３と、その間に挟まれて存在する電子加速層４とからなる。また、基板２と上部電極３とは電源７に繋がっており、互いに対向して配置された基板２と上部電極３との間に電圧を印加できるようになっている。電子放出素子１は、基板２と上部電極３との間に電圧を印加することで、基板２と上部電極３との間、つまり、電子加速層４に電流を流し、その一部を印加電圧の形成する強電界により弾道電子として、上部電極３を透過あるいは上部電極３の隙間から放出させる。なお、電子放出素子１と電源７とから電子放出装置１０が成る。
【００３５】
下部電極となる基板２は、電子放出素子の支持体の役割を担う。そのため、ある程度の強度を有し、直に接する物質との接着性が良好で、適度な導電性を有するものであれば、特に制限なく用いることができる。例えばＳＵＳやＴｉ、Ｃｕ等の金属基板、ＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板、ガラス基板のような絶縁体基板、プラスティック基板等が挙げられる。例えばガラス基板のような絶縁体基板を用いるのであれば、その電子加速層４との界面に金属などの導電性物質を電極として付着されることによって、下部電極となる基板２として用いることができる。上記導電性物質としては、導電性に優れた貴金属系材料を、マグネトロンスパッタ等を用いて薄膜形成できれば、その構成材料は特に問わない。また、酸化物導電材料として、透明電極に広く利用されているＩＴＯ薄膜も有用である。また、強靭な薄膜を形成できるという点で、例えば、ガラス基板表面にＴｉを２００ｎｍ成膜し、さらに重ねてＣｕを１０００ｎｍ成膜した金属薄膜を用いてもよいが、これら材料および数値に限定されることはない。
【００３６】
上部電極３は、電子加速層４内に電圧を印加させるものである。そのため、電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層４内で加速され高エネルギーとなった電子をなるべくエネルギーロス無く透過させて放出させるという観点から、仕事関数が低くかつ薄膜を形成することが可能な材料であれば、より高い効果が期待できる。このような材料として、例えば、仕事関数が４〜５ｅＶに該当する金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、パラジウムなどが挙げられる。中でも大気圧中での動作を想定した場合、酸化物および硫化物形成反応のない金が、最良な材料となる。また、酸化物形成反応の比較的小さい銀、パラジウム、タングステンなども問題なく実使用に耐える材料である。また上部電極３の膜厚は、電子放出素子１から外部へ電子を効率良く放出させる条件として重要であり、１０〜５５ｎｍの範囲とすることが好ましい。上部電極３を平面電極として機能させるための最低膜厚は１０ｎｍであり、これ未満の膜厚では、電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子１から外部へ電子を放出させるための最大膜厚は５５ｎｍであり、これを超える膜厚では弾道電子の透過が起こらず、上部電極３で弾道電子の吸収あるいは反射による電子加速層４への再捕獲が生じてしまう。よって、上部電極３の膜厚が１０〜５５ｎｍの範囲であると、電子放出素子１は、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、上部電極３から弾道電子を安定して放出させることが可能となる。
【００３７】
電子加速層４は、導電微粒子６と、当該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒子径の絶縁体微粒子５とを含んでいる。電子加速層４において上記導電微粒子は均一に分散されており、該導電微粒子の凝集体の粒径は０．３５μｍ以下となっている。本実施形態では、電子加速層４には、絶縁体微粒子５と導電微粒子６とを含んでいるため、以下では、電子加速層４を微粒子層４と記載する。
【００３８】
導電微粒子６としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような種類の導電体でも用いることができる。ただし、抗酸化力が高い導電体を用いると、大気圧動作させた際の酸化劣化を避けることができる。抗酸化力の高い導電体としては、例えば、貴金属が挙げられ、具体的には、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルといった材料が挙げられ、導電微粒子が金属微粒子であってもよい。このような導電微粒子６は、公知の微粒子製造技術であるスパッタ法や噴霧加熱法を用いて作成可能であり、応用ナノ研究所が製造販売する銀ナノ粒子等の市販の金属微粒子粉体も利用可能である。弾道電子の生成の原理については後段で記載する。
【００３９】
ここで、導電微粒子６の一次平均粒径は、導電性を制御する必要から、以下で説明する絶縁体微粒子５の大きさよりも小さくなければならず、３〜１０ｎｍであるのがより好ましい。このように、導電微粒子６の一次平均粒径を、絶縁体微粒子５の粒子径よりも小さく、好ましくは３〜１０ｎｍとすることにより、微粒子層４内で、導電微粒子６による導電パスが形成されず、微粒子層４内での絶縁破壊が起こり難くなる。また原理的には不明確な点が多いが、粒子径が上記範囲内の導電微粒子６を用いることで、弾道電子が効率よく生成される。なお、導電微粒子６の平均粒子径は、例えば、分散媒中に適度な濃度で導電微粒子を分散させ、マイクロトラック９３４０−ＵＰＡ（日機装株式会社製）を用いて測定することができる。
【００４０】
さらに、図３に示すように、微粒子層４において導電微粒子６は均一に分散されている。ここでは、均一に分散されているとは、後述の実施例からわかるように、微粒子層４における導電微粒子６の凝集体の平均粒径は０．３５μｍ以下となっているということである。導電微粒子６の凝集体の平均粒径は、導電微粒子６の一次平均粒径よりも大きいが、それが、０．３５μｍ以下となっていると、後述の実施例からわかるように、電子加速層中で絶縁破壊が生じるほどの大きな凝集体はできておらず、導電微粒子６は均一に分散されているということができる。
【００４１】
ここで、図４に示すように電子加速層（微粒子層）中の導電微粒子の分散状態が不均一であり、導電微粒子の凝集が微粒子層中に存在すると、素子に電圧を印加したときに、導電路が形成されやすく、絶縁破壊が生じやすくなる。しかし、電子放出素子１は、上記のように、導電微粒子６が電子加速層（微粒子層４中）中に均一に分散されているため、素子の長寿命を図ることができ、電子を長期間安定して放出できる。なお、図３および４はＴＥＭ写真を示す図であるが、ＴＥＭ観察では、微粒子層４より上を樹脂で包埋し、基板２から剥離して観察を行っている。したがって、図３および４では、基板２が含まれておらず、基板２があった領域を基板領域として示している。
【００４２】
なお、導電微粒子６の周囲には、導電微粒子６の一次平均粒径より小さい絶縁体物質が存在していてもよく、導電微粒子６の一次平均粒径より小さい絶縁体物質は、導電微粒子６の表面に付着する付着物質であってもよく、付着物質は、導電微粒子６の一次平均粒径より小さい形状の集合体として、導電微粒子６の表面を被膜する絶縁被膜であってもよい。導電微粒子６の一次平均粒径より小さい絶縁体物質としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような絶縁体物質でも用いることができる。ただし、導電微粒子６の一次平均粒径より小さい絶縁体物質が導電微粒子６を被膜する絶縁被膜であり、絶縁被膜を導電微粒子６の酸化被膜によって賄った場合、大気中での酸化劣化により酸化皮膜の厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまう恐れがあるため、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、有機材料による絶縁被膜が好ましく、例えば、アルコラート、脂肪酸、アルカンチオールといった材料が挙げられる。この絶縁被膜の厚さは薄い方が有利であることが言える。
【００４３】
絶縁体微粒子５に関しては、その材料は絶縁性を持つものであれば特に制限なく用いることができる。ただし、微粒子層４を構成する微粒子全体における絶縁体微粒子５の重量割合は８０〜９５％が好ましい。なお、微粒子層（電子加速層）４に占める導電微粒子６の重量割合を３０％以下とすることで、高抵抗かつ薄膜の半導電層を形成でき、絶縁破壊が生じない微粒子層（電子加速層）４を実現できる。
【００４４】
また絶縁体微粒子５の大きさは、導電微粒子６に対して優位な放熱効果を得るため、導電微粒子６の一次平均粒径よりも大きいことが好ましく、絶縁体微粒子５の直径（一次平均粒径）は１０〜１０００ｎｍであることが好ましく、１２〜１１０ｎｍがより好ましい。従って、絶縁体微粒子５の材料はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２といったものが実用的となる。ただし、表面処理が施された小粒径シリカ粒子を用いると、それよりも粒子径の大きな球状シリカ粒子を用いるときと比べて、溶媒中に占めるシリカ粒子の表面積が増加し、溶液粘度が上昇するため、微粒子層４の膜厚が若干増加する傾向にある。また、絶縁体微粒子５の材料には、有機ポリマーから成る微粒子を用いてもよく、例えば、ＪＳＲ株式会社の製造販売するスチレン／ジビニルベンゼンから成る高架橋微粒子（ＳＸ８７４３）、または日本ペイント株式会社の製造販売するスチレン・アクリル微粒子のファインスフェアシリーズが利用可能である。ここで、絶縁体微粒子５は、２種類以上の異なる粒子を用いてもよく、また、粒径のピークが異なる粒子を用いてもよく、あるいは、単一粒子で粒径がブロードな分布のものを用いてもよい。
【００４５】
微粒子層４は薄いほど強電界がかかるため低電圧印加で電子を加速させることができるが、層厚を均一化できること、また層厚方向における電子加速層の抵抗調整が可能となること、さらに、導電微粒子６の凝集体（平均粒径０．３５μｍ以下）を含んでいても電子放出が可能なことなどから、微粒子層４の層厚は、０．５〜３μｍであるのが好ましい。
【００４６】
次に、電子放出の原理について説明する。図２は、電子放出素子１の微粒子層４付近の断面を拡大した模式図である。図２に示すように、微粒子層４は、その大部分を絶縁体微粒子５で構成され、その隙間に導電微粒子６が点在している。図２における絶縁体微粒子５および導電微粒子６の比率は、絶縁体微粒子５および導電微粒子６の総重量に対する絶縁体微粒子５の重量比率が８０％に相当する状態であり、絶縁体微粒子５一粒子当たりに付着する導電微粒子６は六粒子程度となる。
【００４７】
微粒子層４は絶縁体微粒子５と少数の導電微粒子６とで構成されるため、半導電性を有する。よって微粒子層４へ電圧を印加すると、極弱い電流が流れる。微粒子層４の電圧電流特性は所謂バリスタ特性を示し、印加電圧の上昇に伴い急激に電流値を増加させる。この電流の一部は、印加電圧が形成する微粒子層４内の強電界により弾道電子となり、上部電極３を透過あるいはその隙間を通過して電子放出素子１の外部へ放出される。弾道電子の形成過程は、電子が電界方向に加速されつつトンネルすることによるものと考えられるが、断定できていない。
【００４８】
次に、電子放出素子１の、製造方法の一実施形態について説明する。まず、基板２上に、絶縁体微粒子５と導電微粒子６とを分散させた分散液を、例えばスピンコート法を用いて塗布して、微粒子層４を形成する。ここで、分散液は、絶縁体微粒子５を分散させた溶媒と導電微粒子６のナノコロイド液と混合して分散させて作製する。なお、導電微粒子６のナノコロイド液は液体の状態で混合する。
【００４９】
このように、導電微粒子６のナノコロイド液を液体の状態で使用すると、導電微粒子６が均一分散した微粒子層４を形成することができる。なお、導電微粒子６はコロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下となっているのが好ましい。コロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下の導電微粒子を用いることで、後述の実施例に記載のように微粒子層４での分散性を高めることができる。
【００５０】
導電微粒子６のナノコロイド液の例としては、ハリマ化成株式会社が製造販売する金ナノ粒子コロイド液、応用ナノ研究所が製造販売する銀ナノ粒子、株式会社徳力化学研究所が製造販売する白金ナノ粒子コロイド液及びパラジウムナノ粒子コロイド液、株式会社イオックスの製造販売するニッケルナノ粒子ペーストなどが挙げられる。
【００５１】
また、導電微粒子６のナノコロイド液の溶媒には、絶縁体微粒子５を分散でき、かつ塗布後に乾燥できれば、特に制限なく用いることができ、例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いることができる。絶縁体微粒子５を分散する溶媒も同様に、導電微粒子６を分散でき、かつ塗布後に乾燥できれば、特に制限なく用いることができ、例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いることができる。
【００５２】
スピンコート法による成膜、乾燥、を複数回繰り返すことで微粒子層４を所定の膜厚にすることができる。微粒子層４は、スピンコート法以外に、例えば、滴下法、スプレーコート法等の方法でも成膜することができる。
【００５３】
また、微粒子層４を次のように形成してもよい。基板２上に、絶縁体微粒子５を分散させた溶媒を例えばスピンコート法を用いて塗布して、絶縁体微粒子層を形成する。その後、絶縁体微粒子層に導電微粒子６のナノコロイド液を液体の状態で添加して微粒子層４を形成してもよい。このように形成すると、絶縁体微粒子層に導電微粒子６のナノコロイド液が浸透し、導電微粒子６が均一に分散される。よって、絶縁体微粒子を分散した溶媒で導電微粒子が凝集することを回避でき、導電微粒子６が均一に分散した微粒子層４を形成できる。なお、ナノコロイド液の添加方法としては、スピンコート法以外にも、例えば、静電噴霧法、インクジェット法等の方法が利用できる。
【００５４】
微粒子層４を形成後、微粒子層４上に上部電極３を成膜する。上部電極３の成膜には、例えば、マグネトロンスパッタ法を用いればよい。また、上部電極３は、例えば、インクジェット法、スピンコート法、蒸着法等を用いて成膜してもよい。
【００５５】
（実施例）
本実施例では、本発明に係る電子放出素子を用いた電子放出実験、発光実験、粒径分布測定について図５〜１１を用いて説明する。なお、これら実験等は実施の一例であって、本発明の内容を制限するものではない。まず初めに、実施例１、２の電子放出素子および、比較例１の電子放出素子を次のように作製した。まず、実施例１、２の電子放出素子の作製方法について説明する。
【００５６】
（実施例１）
実施例１の電子放出素子は次のように作製した。まず、１０ｍＬの試薬瓶にヘキサン溶媒を３ｍＬ入れ、その中に絶縁体微粒子５として平均粒径１１０ｎｍの球状シリカ粒子を０．５ｇ投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、シリカ粒子の分散を行った。次に導電微粒子６として応用ナノ粒子研究所製の銀ナノ粒子コロイド液（銀ナノ粒子の一次平均粒径４．５ｎｍ（納品時のメーカー測定データ）、微粒子固形分濃度３７％のヘキサン分散溶液）を液体の状態で０．１２５ｇ（固形分重量）追加投入し、同様に超音波分散処理を行って、微粒子分散液Ａを得た。微粒子分散液Ａに占める絶縁体微粒子５および導電微粒子６の総質量に対する絶縁体微粒子５の重量比率は８０％であった。
【００５７】
そして、基板２として３０ｍｍ角のＳＵＳ基板上にスピンコート法を用いて、微粒子分散液Ａを堆積させて、微粒子層４を形成した。スピンコート法による成膜条件は、分散溶液Ａの基板２への滴下後に、５００ＲＰＭにて５ｓｅｃ、続いて３０００ｒｐｍにて１０ｓｅｃ、基板２の回転を行う事とした。この成膜条件を１度行い、基板２上に１層堆積させた後、室温で自然乾燥させた。微粒子層４の膜厚は約１０００ｎｍであった。この微粒子層４の表面には、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極３を成膜することにより、実施例１の電子放出素子を得た。上部電極３の成膜材料として金を使用し、上部電極３の層厚（表面電極膜厚）は４０ｎｍとした。また直径３ｍｍの円形孔のマスクを用いることで、同面積は０．０７ｃｍ２とした。
【００５８】
（実施例２）
実施例２の電子放出素子については、実施例１の電子放出素子と同様に作製した。ただし、実施例２が実施例１と異なる点は、銀ナノ粒子コロイド液中の凝集した銀ナノ粒子を用いている点である。まず、実施例１と同じである銀ナノ粒子コロイド液は、最初は銀微粒子の一次平均粒径４．５ｎｍ（納品時のメーカー測定データ）で良好に分散した、微粒子固形分濃度３７％のヘキサン分散溶液である。ただし、これを放置すると時間の経過とともに銀ナノ粒子が凝集・沈殿する。実施例２では、約１ヶ月放置後の凝集・沈殿物を含む銀ナノ粒子を使用した。この凝集・沈殿物を含む銀ナノ粒子の粒径を測定した結果は、後述するように、３４８ｎｍであった。なお、実施例１の銀ナノ粒子コロイド液では後述するように凝集体とはなっていない。
【００５９】
（比較例１）
また、比較例１の電子放出素子は次のように作製した。まず、１０ｍＬの試薬瓶にトルエン溶媒を３ｍＬ入れ、その中に絶縁体微粒子５として平均粒径１１０ｎｍの球状シリカ粒子を０．５ｇのシリカ粒子を投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、シリカ粒子の分散を行った。次に、絶縁体物質を表面に付着させた導電微粒子６として、銀ナノ粒子（一次平均粒径１０ｎｍ、うち絶縁被膜アルコラート１ｎｍ厚、ドライアップ品）を０．０５５ｇ上記試薬瓶に追加投入し、同様に超音波分散処理を行う。こうして絶縁体微粒子（シリカ粒子）の配合割合（重量比率）が９０％となる分散溶液Ｂが得られた。
【００６０】
そして、基板２として３０ｍｍ角のＳＵＳ基板上にスピンコート法を用いて分散溶液Ｂを堆積させて、微粒子層４を形成した。この微粒子層４の表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極３を成膜することにより、比較例１の電子放出素子を得た。スピンコート法による成膜条件は、分散溶液Ｂの基板２への滴下後に、５００ｒｐｍにて５ｓｅｃ続いて３０００ＲＰＭにて１０ｓｅｃ、基板２の回転を行う事とした。この成膜条件を３度繰り返し、基板２上に３層堆積させた後、室温で自然乾燥させた。微粒子層４の膜厚は約１５００ｎｍであった。
【００６１】
基板２の表面に微粒子層４を形成後、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極３を成膜した。成膜材料として金を使用し、上部電極３の層厚は１２ｎｍ、同面積は０．２８ｃｍ２とした。
【００６２】
（電子放出素子の電子放出電流の測定）
上記のように作製した実施例１、２および比較例１の電子放出素子について、図５に示す実験系を用いて単位面積あたりの電子放出電流の測定実験を行った。図５に示す実験系では、電子放出素子１の上部電極３側に、絶縁体スペーサ９を挟んで対向電極８を配置させる。そして、電子放出素子１および対向電極８は、それぞれ、電源７に接続されており、電子放出素子１にはＶ１の電圧、対向電極８にはＶ２の電圧が印加されるようになっている。このような実験系を１×１０−８ＡＴＭの真空中に配置して電子放出実験を行った。電子放出実験で、Ｖ２＝１００Ｖとした。また、絶縁体スペーサ９を挟んで、電子放出素子と対向電極との距離は５０００μｍであった。なお、真空中測定において、Ｖ２＝５０〜２００Ｖで結果に大差ない。
【００６３】
実施例１の電子放出素子は、Ｖ１＝１９．３Ｖにて、１．２７Ｅ−４Ａ／ｃｍ２の電子放出電流が確認された。実施例２の電子放出素子は、Ｖ１＝１８．３Ｖにて、５．３５Ｅ−５Ａ／ｃｍ２の電子放出電流が確認された。比較例１の電子放出素子は、Ｖ１＝２８．１Ｖにて、４．９２Ｅ−５Ａ／ｃｍ２の電子放出電流が確認された。
【００６４】
ここでは、１×１０−８ＡＴＭの真空中で電子放出させたが、貴金属（実施例では銀）の導電微粒子を用いているため、大気中でも電子放出させることができる。
【００６５】
（電子放出素子の発光の測定）
さらに、図６および７に示す発光実験装置を用いて、実施例１，２および比較例１の電子放出素子について蛍光での発光実験を行った。図６に示す発光実験装置では、電子放出素子１の上部電極３側に、ＩＴＯ付きガラス基板１５を配置させる。ＩＴＯ付きガラス基板１５には、電子放出素子１と対向する面に蛍光体１６が塗布してある。そして、ＩＴＯ付きガラス基板１５は電源と接続しており、ＩＴＯ付きガラス基板１５への印加電圧は、２０００Ｖとした。また、電子放出素子１には、バイアス電源１７に接続したバイアス電極から１５Ｖの電圧を印加した。図７は、発光実験装置の上面図（写真）である。このような発光実験装置を１×１０−８ＡＴＭの真空中に配置して電子放出実験を行った。
【００６６】
実施例１の電子放出素子の発光実験の結果を図８に示す。図８は、ＩＴＯ付きガラス基板１５の上部から発光を撮影したものである。図８より、均一な面電子が放出されていることがわかる。さらに、実施例１で用いた銀ナノ粒子のヘキサン分散コロイドの粒径分布の測定結果を図９に示す。図９から、個数粒径分布の中位径は４．９ｎｍ（０．００４９μｍ）であること、つまり、銀ナノ粒子のコロイドは、ほぼ一次粒径で存在していること、がわかった。
【００６７】
実施例２の電子放出素子の発光実験の結果を図１０に示す。図１０は、ＩＴＯ付きガラス基板１５の上部から発光を撮影したものである。図１０より、不均一な面電子が放出されていることがわかる。さらに、実施例２で用いた銀ナノ粒子のヘキサン分散コロイド凝集体の粒径分布の測定結果を図１１に示す。図１１から、個数粒径分布の中位径は０．３４８μｍであることがわかった。
【００６８】
また、比較例１の電子放出素子の発光実験の結果は、基板（下部電極）２と、上部電極３とがリークして電子放出しない素子が多かった（複数個作製した中では電子放出する素子もあった）。この比較例１で用いたドライアップ品の銀ナノ粒子のトルエン分散体の粒径分布の測定結果を図１２に示す。図１２から、個数粒径分布の中位径は２．７６８μｍであることがわかった。
【００６９】
以上の発光実験から、導電微粒子６のナノコロイド液を液体の状態で使用すると、導電微粒子６が均一分散した微粒子層４を形成することができることがわかる。さらに、導電微粒子６はコロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下となっていると微粒子層（電子加速層）４での分散性を高めることができるため、好ましいことがわかる。
【００７０】
さらに、親水性のシリカ粒子を溶媒に分散させたものと、白金微粒子のコロイド液（白金粒子の一次平均粒径１０ｎｍ、固形分濃度０．５％の水系分散溶液）とを用いた微粒子分散液Ｃから、微粒子層４を形成した電子放出素子について、上記同様に電子放出実験を行ったところ、電子放出を確認できた。また、親水性のシリカ粒子を溶媒に分散させたものと、パラジウム微粒子のコロイド液（パラジウム微粒子の一次平均粒径１２ｎｍ、固形分濃度０．５％の水系分散溶液）とを用いた微粒子分散液Ｄから、微粒子層４を形成した電子放出素子についても、上記同様に電子放出実験を行ったところ、電子放出を確認できた。
【００７１】
（実施例３）
実施例３の電子放出素子は次のように作製した。まず、１０ｍＬの試薬瓶にエタノール溶媒２．０ｇとメチルトリメトキシシランＫＢＭ−１３（信越化学工業株式会社製）０．５ｇを入れ、絶縁体微粒子５として平均粒径１２ｎｍの球状シリカ粒子ＡＥＲＯＳＩＬ Ｒ８２００（エボニックエグサジャパン株式会社製）を０．５ｇ投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、絶縁体物質含有樹脂バインダー分散液Ｃを調製した。分散液Ｃに占める絶縁体微粒子５の含有率は１７重量％であった。
【００７２】
そして、基板２として３０ｍｍ角のＳＵＳ基板上に、上記で得られた分散液Ｃを滴下後、スピンコート法を用いて３０００ｒｐｍ、１０ｓで絶縁体物質含有樹脂バインダー層Ｉを形成した。この絶縁体物質含有樹脂バインダー層Ｉは常温で乾燥し、経時変化を起こさないため、続けて次の工程に移った。
【００７３】
次に、導電微粒子６の溶液として、金ナノ粒子含有ナフテン分散溶液（ハリマ化成株式会社製、金ナノ粒子の平均粒径５．０ｎｍ（カタログ記載の測定データ）、金ナノ粒子固形分濃度５２％）を、絶縁体物質含有樹脂バインダー層Ｉ上に滴下後、スピンコート法を用いて６０００ｒｐｍ、１０ｓで、基板２を回転し、微粒子層４を形成した。金ナノ粒子含有ナフテン分散溶液は、金ナノ粒子のコロイド液である。
【００７４】
その後、微粒子層４の表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極３を成膜し、実施例３の電子放出素子を得た。成膜材料には金を使用し、上部電極３の層厚は４０ｎｍ、同面積は０．０１４ｃｍ２とした。
【００７５】
この実施例３の電子放出素子は１×１０−８ＡＴＭの真空中において、薄膜電極への印加電圧Ｖ１＝２９．６Ｖにて、単位面積当たりの電子放出電流は、０．４６１ｍＡ／ｃｍ２、素子内電流は１１５ｍＡ／ｃｍ２、電子放出効率０．４０％が確認された。
【００７６】
なお、実施例３については、上記発光実験はしていないが、実施例１の銀コロイドと同様の結果となることが予想される。
【００７７】
〔実施の形態２〕
図１３に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る帯電装置９０の一例を示す。帯電装置９０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とからなり、感光体１１を帯電させるものである。本発明に係る画像形成装置は、この帯電装置９０を具備している。本発明に係る画像形成装置において、帯電装置９０を成す電子放出素子１は、被帯電体である感光体１１に対向して設置され、電圧を印加することにより、電子を放出させ、感光体１１を帯電させる。なお、本発明に係る画像形成装置では、帯電装置９０以外の構成部材は、従来公知のものを用いればよい。ここで、帯電装置９０として用いる電子放出素子１は、感光体１１から、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置するのが好ましい。また、電子放出素子１への印加電圧は２５Ｖ程度が好ましく、電子放出素子１の電子加速層の構成は、例えば、２５Ｖの電圧印加で、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるようになっていればよい。
【００７８】
帯電装置９０として用いられる電子放出素子１は、導電微粒子６が抗酸化力の高い導電体であると大気中で動作させても放電を伴わず、従って帯電装置９０からのオゾンの発生は全く無い。オゾンは人体に有害であり環境に対する各種規格で規制されているほか、機外に放出されなくとも機内の有機材料、例えば感光体１１やベルトなどを酸化し劣化させてしまう。このような問題を、本発明に係る電子放出素子１を帯電装置９０に用い、また、このような帯電装置９０を画像形成装置が有することで、解決することができる。
【００７９】
さらに帯電装置９０として用いられる電子放出素子１は、面電子源として構成されるので、感光体１１の回転方向へも幅を持って帯電を行え、感光体１１のある箇所への帯電機会を多く稼ぐことができる。よって、帯電装置９０は、線状で帯電するワイヤ帯電器などと比べ、均一な帯電が可能である。また、帯電装置９０は、数ｋＶの電圧印加が必要なコロナ放電器と比べて、１０Ｖ程度と印加電圧が格段に低くてすむというメリットもある。
【００８０】
〔実施の形態３〕
図１４〜１６に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る自発光デバイスの例をそれぞれ示す。
【００８１】
図１４に示す自発光デバイス３１は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７と、さらに、電子放出素子１と離れ、対向した位置に、基材となるガラス基板３４、ＩＴＯ膜３３、そして蛍光体３２が積層構造を有する発光部３６と、から成る。
【００８２】
蛍光体３２としては赤、緑、青色発光に対応した電子励起タイプの材料が適しており、例えば、赤色ではＹ２Ｏ３：Ｅｕ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ、緑色ではＺｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ、ＢａＡｌ１２Ｏ１９：Ｍｎ、青色ではＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋等が使用可能である。ＩＴＯ膜３３が成膜されたガラス基板３４表面に、蛍光体３２を成膜する。蛍光体３２の厚さ１μｍ程度が好ましい。また、ＩＴＯ膜３３の膜厚は、導電性を確保できる膜厚であれば問題なく、本実施形態では１５０ｎｍとした。
【００８３】
蛍光体３２を成膜するに当たっては、バインダーとなるエポキシ系樹脂と微粒子化した蛍光体粒子との混練物として準備し、バーコーター法或いは滴下法等の公知な方法で成膜するとよい。
【００８４】
ここで、蛍光体３２の発光輝度を上げるには、電子放出素子１から放出された電子を蛍光体へ向けて加速する必要があり、その場合は電子放出素子１の基板２と発光部３６のＩＴＯ膜３３の間に、電子を加速する電界を形成するための電圧印加するために、電源３５を設けるとよい。このとき、蛍光体３２と電子放出素子１との距離は、０．３〜１ｍｍで、電源７からの印加電圧は１８Ｖ、電源３５からの印加電圧は５００〜２０００Ｖにするのが好ましい。
【００８５】
図１５に示す自発光デバイス３１’は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７、さらに、蛍光体３２を備えている。自発光デバイス３１’では、蛍光体３２は平面状であり、電子放出素子１の表面に蛍光体３２が配置されている。ここで、電子放出素子１表面に成膜された蛍光体３２の層は、前述のように微粒子化した蛍光体粒子との混練物から成る塗布液として準備し、電子放出素子１表面に成膜する。但し、電子放出素子１そのものは外力に対して弱い構造であるため、バーコーター法による成膜手段は利用すると素子が壊れる恐れがある。このため滴下法或いはスピンコート法等の方法を用いるとよい。
【００８６】
図１６に示す自発光デバイス３１”は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７を備えており、さらに、電子放出素子１の微粒子層４に蛍光体３２’として蛍光の微粒子が混入されている。この場合、蛍光体３２’の微粒子を絶縁体微粒子５と兼用させてもよい。但し前述した蛍光体の微粒子は一般的に電気抵抗が低く、絶縁体微粒子５に比べると明らかに電気抵抗は低い。よって蛍光体の微粒子を絶縁体微粒子５に変えて混合する場合、その蛍光体の微粒子の混合量は少量に抑えなければ成らない。例えば、絶縁体微粒子５として球状シリカ粒子（平均粒径１１０ｎｍ）、蛍光体微粒子としてＺｎＳ：Ｍｇ（平均径５００ｎｍ）を用いた場合、その重量混合比は３：１程度が適切となる。
【００８７】
上記自発光デバイス３１，３１’，３１”では、電子放出素子１より放出させた電子を蛍光体３２，３２に衝突させて発光させる。なお、自発光デバイス３１，３１’，３１”は、電子放出素子１の導電微粒子６が抗酸化力の高い導電体であると大気中で電子を放出できるため、大気中動作可能である。また、導電微粒子６がどのような導電体であっても、真空封止すれば電子放出電流が上がり、より効率よく発光することができる。
【００８８】
さらに、図１７に、本発明に係る自発光デバイスを備えた本発明に係る画像表示装置の一例を示す。図１７に示す画像表示装置１４０は、図１６で示した自発光デバイス３１”と、液晶パネル３３０とを供えている。画像表示装置１４０では、自発光デバイス３１”を液晶パネル３３０の後方に設置し、バックライトとして用いている。画像表示装置１４０に用いる場合、自発光デバイス３１”への印加電圧は、２０〜３５Ｖが好ましく、この電圧にて、例えば、単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるようになっていればよい。また、自発光デバイス３１”と液晶パネル３３０との距離は、０．１ｍｍ程度が好ましい。
【００８９】
また、本発明に係る画像表示装置として、図１４に示す自発光デバイス３１を用いる場合、自発光デバイス３１をマトリックス状に配置して、自発光デバイス３１そのものによるＦＥＤとして画像を形成させて表示する形状とすることもできる。この場合、自発光デバイス３１への印加電圧は、２０〜３５Ｖが好ましく、この電圧にて、例えば、単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるようになっていればよい。
【００９０】
〔実施の形態４〕
図１８及び図１９に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る冷却装置の例をそれぞれ示す。なお、冷却装置を送風装置として利用してもよい。
【００９１】
図１８に示す冷却装置１５０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とからなる。冷却装置１５０において、電子放出素子１は、電気的に接地された被冷却体４１に向かって電子を放出することにより、イオン風を発生させて被冷却体４１を冷却する。冷却させる場合、電子放出素子１に印加する電圧は、１８Ｖ程度が好ましく、この電圧で、雰囲気下に、例えば、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子を放出することが好ましい。
【００９２】
図１９に示す冷却装置１６０は、図１８に示す冷却装置１５０に、さらに、送風ファン４２が組み合わされている。図１９に示す冷却装置１６０は、電子放出素子１が電気的に接地された被冷却体４１に向かって電子を放出し、さらに、送風ファン４２が被冷却体４１に向かって送風することで電子放出素子１から放出された電子を被冷却体４１に向かって送り、イオン風を発生させて被冷却体４１を冷却する。この場合、送風ファン４２による風量は、０．９〜２Ｌ／分／ｃｍ２とするのが好ましい。
【００９３】
ここで、送風によって被冷却体４１を冷却させようとするとき、従来の冷却装置のようにファン等による送風だけでは、被冷却体４１の表面の流速が０となり、最も熱を逃がしたい部分の空気は置換されず、冷却効率が悪い。しかし、送風される空気の中に電子やイオンといった荷電粒子を含まれていると、被冷却体４１近傍に近づいたときに電気的な力によって被冷却体４１表面に引き寄せられるため、表面近傍の雰囲気を入れ替えることができる。ここで、本発明に係る冷却装置１５０，１６０では、送風する空気の中に電子やイオンといった荷電粒子を含んでいるので、冷却効率が格段に上がる。
【００９４】
冷却装置１５０，１６０に用いられる電子放出素子１は、導電微粒子６が抗酸化力の高い導電体であると大気中で動作させることができる。
【００９５】
上述した実施形態および実施は例示であり、電子放出素子１は、他にも、例えば、電子線硬化装置に用いることができる。電子線硬化装置は、電子放出素子と、これに電圧を印加する電源と、さらに電子を加速させる加速電極とを備えている。
【００９６】
つまり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明に係る電子放出素子は、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、薄膜電極から弾道電子を放出させることが可能である。よって、例えば、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置の帯電装置や、電子線硬化装置、或いは発光体と組み合わせることにより画像表示装置、または放出された電子が発生させるイオン風を利用することにより冷却装置等に、好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１ 電子放出素子
２ 基板（電極基板）
３ 上部電極（薄膜電極）
４ 微粒子層（電子加速層）
５ 絶縁体微粒子
６ 導電微粒子
７ 電源（電源部）
８ 対向電極
９ 絶縁体スペーサ
１０ 電子放出装置
１１ 感光体
２１ 加速電極
２２ レジスト
３１，３１’，３１” 自発光デバイス
３２，３２’ 蛍光体
３３ ＩＴＯ膜
３４ ガラス基板
３５ 電源
３６ 発光部
４１ 被冷却体
４２ 送風ファン
５１ 開口部
９０ 帯電装置
１００ 電子線硬化装置
１４０ 画像表示装置
１５０ 冷却装置
１６０ 冷却装置
３３０ 液晶パネル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を印加することにより電子を放出する電子放出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子放出素子として、スピント（Ｓｐｉｎｄｔ）型電極、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）型電極などが知られている。このような電子放出素子は、例えば、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）の分野に応用検討されている。このような電子放出素子は、尖鋭形状部に電圧を印加して約１ＧＶ／ｍの強電界を形成し、トンネル効果により電子放出させる。
【０００３】
しかしながら、これら２つのタイプの電子放出素子は、電子放出部表面近傍が強電界であるため、放出された電子は電界により大きなエネルギーを得て気体分子を電離しやすくなる。気体分子の電離により生じた陽イオンは強電界により素子の表面方向に加速衝突し、スパッタリングによる素子破壊が生じるという問題がある。また、大気中の酸素は電離エネルギーより解離エネルギーが低いため、イオンの発生より先にオゾンを発生する。オゾンは人体に有害である上、その強い酸化力により様々なものを酸化することから、素子の周囲の部材にダメージを与えるという問題が存在し、これを避けるために周辺部材には耐オゾン性の高い材料を用いなければならないという制限が生じている。
【０００４】
そこで、上記とは別のタイプの電子放出素子として、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）型やＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の電子放出素子が知られている。これらは素子内部の量子サイズ効果及び強電界を利用して電子を加速し、平面状の素子表面から電子を放出させる面放出型の電子放出素子である。これらは素子内部で加速した電子を放出するため、素子外部に強電界を必要としない。従って、ＭＩＭ型及びＭＩＳ型の電子放出素子においては、上記スピント型やＣＮＴ型、ＢＮ型の電子放出素子のように気体分子の電離によるスパッタリングで破壊されるという問題やオゾンが発生するという問題を克服できる。
【０００５】
例えば特許文献１には、２枚の電極の間に金属などの微粒子を分散させた絶縁体膜を電子加速層として設け、一方の電極から電子加速層中に電子を注入し、注入した電子を電子加速層で加速させ、他方の電極を通して電子を放出するＭＩＭ形電子放出素子が開示されている。特許文献１では、この厚みを数十Å〜１０００Åとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２９８６２３号公報（平成１年１２月１日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に数ｎｍから数百ｎｍの微粒子を溶媒中および固体中に均一分散することは難しい。そのため、電子加速層として絶縁体膜に金属微粒子を含むＭＩＭ型の従来の電子放出素子は、金属微粒子の分散状態が不均一である。金属微粒子の分散状態が不均一であることは素子の寿命が短くなる原因となっている。金属微粒子の分散状態が不均一であると、金属微粒子の凝集体が絶縁体膜中に存在しやすく、金属微粒子の凝集が絶縁体膜中に存在すると、素子に電圧を印加したときに、導電路が形成されやすく、絶縁破壊が生じやすくなるためである。よって、従来の電子放出素子を利用した装置は、装置の寿命が短くなる。また、例えば従来の電子放出素子をディスプレイに適用した場合、金属微粒子の分散状態が不均一であると、輝度ムラを生じることになる。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、電子加速層で導電微粒子が均一に分散されており、電子を長期間安定に放出できる電子放出素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電子放出素子は、上記課題を解決するために、電極基板と薄膜電極と該電極基板および該薄膜電極とに挟持された電子加速層とを有し、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧が印加されると、上記電子加速層で電子を加速させて、上記薄膜電極から該電子を放出させる電子放出素子であって、上記電子加速層には、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子とが含まれており、上記電子加速層において上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は、０．３５μｍ以下となっていることを特徴としている。
【００１０】
上記構成によると、電極基板と薄膜電極との間には、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子とが含まれる電子加速層が設けられており、この電子加速層は、絶縁体微粒子と導電微粒子とが緻密に集合した層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。ここで、上記電子加速層における上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は０．３５μｍ以下となっている。上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は、上記導電微粒子の一次平均粒径よりも大きいが、それが、０．３５μｍ以下となっていると、後述の実施例からわかるように、電子加速層中で絶縁破壊が生じるほどの大きな凝集体はできておらず、導電微粒子は電子加速層中で均一に分散されているということができる。
【００１１】
従来は、導電微粒子を電子加速層中に均一に分散できなかった。しかし、本発明に係る電子放出素子は、上記のように、導電微粒子が電子加速層中に均一に分散されており、素子の長寿命を図ることができ、電子を長期間安定して放出できる。
【００１２】
また、本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子は、抗酸化力が高い導電体であってもよい。
【００１３】
ここで、ここで言う抗酸化力が高いとは、酸化物形成反応の低いことを指す。一般的に熱力学計算より求めた、酸化物生成自由エネルギーの変化量ΔＧ［ｋＪ／ｍｏｌ］値が負で大きい程、酸化物の生成反応が起こり易いことを表す。本発明ではΔＧ＞−４５０［ｋＪ／ｍｏｌ］以上に該当する金属元素が、抗酸化力の高い導電微粒子として該当する。また、該当する導電微粒子の周囲に、その導電微粒子の粒径よりも小さい絶縁体物質を付着、または被覆することで、酸化物の生成反応をより起こし難くした状態の導電微粒子も、抗酸化力が高い導電微粒子に含まれる。
【００１４】
上記構成によると、導電微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難いため、電子放出素子を大気圧中でも安定して動作させることができる。よって、寿命を長くでき、大気中でも長時間連続動作をさせることができる。
【００１５】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子は、貴金属であってもよい。このように、上記導電微粒子が、貴金属であることで、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化を図ることができる。
【００１６】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子は、導電性を制御する必要から、上記絶縁体物質の大きさよりも小さくなければならず、上記導電微粒子の一次平均粒径は３〜１０ｎｍであるのが好ましい。このように、上記導電微粒子の一次平均粒径を、上記絶縁体物質よりも小さく、好ましくは３〜１０ｎｍとすることにより、電子加速層内で、導電微粒子による導電パスが形成されず、電子加速層内での絶縁破壊が起こり難くなる。また原理的には不明確な点が多いが、粒子径が上記範囲内の導電微粒子を用いることで、弾道電子が効率よく生成される。
【００１７】
ここで、上記絶縁体微粒子は、その平均粒径が１０〜１０００ｎｍであるのが好ましく、１２〜１１０ｎｍであるのがより好ましい。この場合、粒径の分散状態は平均粒径に対してブロードであってもよく、例えば平均粒径５０ｎｍの微粒子は、２０〜１００ｎｍの領域にその粒径分布を有していても問題ない。上記微粒子である絶縁体物質の平均粒径を好ましくは１０〜１０００ｎｍ、より好ましくは１２〜１１０ｎｍとすることにより、上記絶縁体物質の大きさよりも小さい上記導電微粒子の内部から外部へと効率よく熱伝導させて、素子内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができ、電子放出素子が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、上記電子加速層における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。
【００１８】
本発明の電子放出素子の製造方法は、上記課題を解決するために、電極基板と、薄膜電極と、該電極基板および該薄膜電極に挟持され、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子とを含む電子加速層と、を有し、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧が印加されると、上記電子加速層で電子を加速させて、上記薄膜電極から該電子を放出させる電子放出素子の製造方法であって、上記電極基板上に、上記導電微粒子のナノコロイド液を液体の状態で用いて上記電子加速層を形成する電子加速層形成ステップを含むことを特徴としている。
【００１９】
上記方法によると、導電微粒子のナノコロイド液を液体の状態で用いて上記電子加速層を形成する。ここで、素子の製造工程において、ドライアップした導電微粒子を使用すると、凝集しているため、溶媒中に一次粒径近くまで再分散させることは困難である。また、溶媒中に分散状態で存在する導電微粒子を使用した場合においても、別の溶媒に混合すると、一般的に分散安定性が悪化して凝集してしまう。従って、凝集した粒径の大きな導電微粒子が電子加速層中に分散してしまい、絶縁破壊が生じやすくなる。
【００２０】
しかし本発明に係る上記方法では、ナノコロイド液を液体の状態で使用しているため、導電微粒子が均一分散した電子加速層を形成することができる。よって、本発明に係る上記方法では、素子の長寿命を図ることができ、電子を長期間安定して放出でき、かつ、電子放出電流を多くすることができる。
【００２１】
ここで、上記導電微粒子はコロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下となっているのが好ましい。コロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下の導電微粒子を用いることで、電子加速層での導電微粒子の分散性を高めることができる。
【００２２】
本発明の電子放出素子の製造方法では、上記方法に加え、上記電子加速層形成ステップで、上記導電微粒子のナノコロイド液と上記絶縁体微粒子とを分散した溶媒とを混合し、上記電極基板上に塗布してもよい。
【００２３】
上記方法によると、導電微粒子のナノコロイド液と絶縁体微粒子を分散した溶媒とを混合することで、導電微粒子が均一に分散した電子加速層を簡易に形成できる。
【００２４】
本発明の電子放出装置は、上記課題と解決するために、上記いずれか１つの電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を備えたことを特徴としている。
【００２５】
上記構成によると、電子加速層で導電微粒子が均一に分散されており、電子放出装置は、電子を長期間安定して放出することが可能となる。
【００２６】
さらに、本発明の電子放出素子を自発光デバイス、及びこの自発光デバイスを備えた画像表示装置に用いることにより、輝度ムラを抑制した、電子を安定して放出でき長寿命な面発光を実現する自発光デバイス、及び画像表示装置を提供することができる。
【００２７】
また、導電微粒子に抗酸化力が高い金属を用いた本発明の電子放出素子を、冷却装置に用いることにより、大気中でも電子を長期安定して放出して高効率で冷却を行うことができる。
【００２８】
また、導電微粒子に抗酸化力が高い金属を用いた本発明の電子放出素子を、帯電装置に用いることにより、大気中でも電子を長期安定して放出して被帯電体を帯電させることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の電子放出素子は、上記のように、上記電子加速層には、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい絶縁体物質とが含まれており、上記電子加速層に上記導電微粒子の凝集体が含まれる場合、該凝集体の平均粒径は０．３５μｍ以下となっている。
【００３０】
上記構成によると、電極基板と薄膜電極との間には、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい絶縁体物質とが含まれる電子加速層が設けられており、この電子加速層は、絶縁体微粒子と導電微粒子とが緻密に集合した層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。ここで、上記電子加速層における上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は０．３５μｍ以下となっている。上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は、上記導電微粒子の一次平均粒径よりも大きいが、それが、０．３５μｍ以下となっていると、後述の実施例からわかるように、電子加速層中で絶縁破壊が生じるほどの大きな凝集体はできておらず、導電微粒子は均一に分散されているということができる。
【００３１】
従来は、導電微粒子を電子加速層中に均一に分散できなかった。しかし、本発明に係る電子放出素子は、上記のように、導電微粒子が電子加速層中に均一に分散されており、素子の長寿命を図ることができ、電子を長期間安定して放出させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図２】図１の電子放出素子における微粒子層付近の断面の拡大図である。
【図３】電子放出素子のＴＥＭ写真であり導電微粒子が均一に分散されていることを示す図である。
【図４】電子放出素子のＴＥＭ写真であり導電微粒子の不均一に分散されていることを示す図である。
【図５】電子放出実験の測定系を示す図である。
【図６】電子放出素子の発光実験装置を示す図である。
【図７】電子放出素子の発光実験装置の上面写真を示す図である。
【図８】実施例の電子放出素子の蛍光体での発光実験の結果を示す図である。
【図９】実施例の電子放出素子の導電微粒子における粒径の分布測定結果を示す図である。
【図１０】他の実施例の電子放出素子の蛍光体での発光実験の結果を示す図である。
【図１１】他の実施例の電子放出素子の導電微粒子における粒径の分布測定結果を示す図である。
【図１２】比較例の電子放出素子の導電微粒子における粒径の分布測定結果を示す図である。
【図１３】本発明の電子放出素子を用いた帯電装置の一例を示す図である。
【図１４】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの一例を示す図である。
【図１５】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの他の一例を示す図である。
【図１６】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの更に別の一例を示す図である。
【図１７】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスを具備する画像形成装置の他の一例を示す図である。
【図１８】本発明に係る電子放出素子を用いた送風装置及びそれを具備した冷却装置の一例を示す図である。
【図１９】本発明の電子放出素子を用いた送風装置及びそれを具備した冷却装置の別の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の電子放出素子の実施形態および実施例について、図１〜１６を参照しながら具体的に説明する。なお、以下に記述する実施の形態および実施例は本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれらよって限定されるものではない。
【００３４】
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の電子放出素子の一実施形態の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の電子放出素子１は、下部電極となる基板（電極基板）２と、上部電極（薄膜電極）３と、その間に挟まれて存在する電子加速層４とからなる。また、基板２と上部電極３とは電源７に繋がっており、互いに対向して配置された基板２と上部電極３との間に電圧を印加できるようになっている。電子放出素子１は、基板２と上部電極３との間に電圧を印加することで、基板２と上部電極３との間、つまり、電子加速層４に電流を流し、その一部を印加電圧の形成する強電界により弾道電子として、上部電極３を透過あるいは上部電極３の隙間から放出させる。なお、電子放出素子１と電源７とから電子放出装置１０が成る。
【００３５】
下部電極となる基板２は、電子放出素子の支持体の役割を担う。そのため、ある程度の強度を有し、直に接する物質との接着性が良好で、適度な導電性を有するものであれば、特に制限なく用いることができる。例えばＳＵＳやＴｉ、Ｃｕ等の金属基板、ＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板、ガラス基板のような絶縁体基板、プラスティック基板等が挙げられる。例えばガラス基板のような絶縁体基板を用いるのであれば、その電子加速層４との界面に金属などの導電性物質を電極として付着されることによって、下部電極となる基板２として用いることができる。上記導電性物質としては、導電性に優れた貴金属系材料を、マグネトロンスパッタ等を用いて薄膜形成できれば、その構成材料は特に問わない。また、酸化物導電材料として、透明電極に広く利用されているＩＴＯ薄膜も有用である。また、強靭な薄膜を形成できるという点で、例えば、ガラス基板表面にＴｉを２００ｎｍ成膜し、さらに重ねてＣｕを１０００ｎｍ成膜した金属薄膜を用いてもよいが、これら材料および数値に限定されることはない。
【００３６】
上部電極３は、電子加速層４内に電圧を印加させるものである。そのため、電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層４内で加速され高エネルギーとなった電子をなるべくエネルギーロス無く透過させて放出させるという観点から、仕事関数が低くかつ薄膜を形成することが可能な材料であれば、より高い効果が期待できる。このような材料として、例えば、仕事関数が４〜５ｅＶに該当する金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、パラジウムなどが挙げられる。中でも大気圧中での動作を想定した場合、酸化物および硫化物形成反応のない金が、最良な材料となる。また、酸化物形成反応の比較的小さい銀、パラジウム、タングステンなども問題なく実使用に耐える材料である。また上部電極３の膜厚は、電子放出素子１から外部へ電子を効率良く放出させる条件として重要であり、１０〜５５ｎｍの範囲とすることが好ましい。上部電極３を平面電極として機能させるための最低膜厚は１０ｎｍであり、これ未満の膜厚では、電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子１から外部へ電子を放出させるための最大膜厚は５５ｎｍであり、これを超える膜厚では弾道電子の透過が起こらず、上部電極３で弾道電子の吸収あるいは反射による電子加速層４への再捕獲が生じてしまう。よって、上部電極３の膜厚が１０〜５５ｎｍの範囲であると、電子放出素子１は、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、上部電極３から弾道電子を安定して放出させることが可能となる。
【００３７】
電子加速層４は、導電微粒子６と、当該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒子径の絶縁体微粒子５とを含んでいる。電子加速層４において上記導電微粒子は均一に分散されており、該導電微粒子の凝集体の粒径は０．３５μｍ以下となっている。本実施形態では、電子加速層４には、絶縁体微粒子５と導電微粒子６とを含んでいるため、以下では、電子加速層４を微粒子層４と記載する。
【００３８】
導電微粒子６としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような種類の導電体でも用いることができる。ただし、抗酸化力が高い導電体を用いると、大気圧動作させた際の酸化劣化を避けることができる。抗酸化力の高い導電体としては、例えば、貴金属が挙げられ、具体的には、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルといった材料が挙げられ、導電微粒子が金属微粒子であってもよい。このような導電微粒子６は、公知の微粒子製造技術であるスパッタ法や噴霧加熱法を用いて作成可能であり、応用ナノ研究所が製造販売する銀ナノ粒子等の市販の金属微粒子粉体も利用可能である。弾道電子の生成の原理については後段で記載する。
【００３９】
ここで、導電微粒子６の一次平均粒径は、導電性を制御する必要から、以下で説明する絶縁体微粒子５の大きさよりも小さくなければならず、３〜１０ｎｍであるのがより好ましい。このように、導電微粒子６の一次平均粒径を、絶縁体微粒子５の粒子径よりも小さく、好ましくは３〜１０ｎｍとすることにより、微粒子層４内で、導電微粒子６による導電パスが形成されず、微粒子層４内での絶縁破壊が起こり難くなる。また原理的には不明確な点が多いが、粒子径が上記範囲内の導電微粒子６を用いることで、弾道電子が効率よく生成される。なお、導電微粒子６の平均粒子径は、例えば、分散媒中に適度な濃度で導電微粒子を分散させ、マイクロトラック９３４０−ＵＰＡ（日機装株式会社製）を用いて測定することができる。
【００４０】
さらに、図３に示すように、微粒子層４において導電微粒子６は均一に分散されている。ここでは、均一に分散されているとは、後述の実施例からわかるように、微粒子層４における導電微粒子６の凝集体の平均粒径は０．３５μｍ以下となっているということである。導電微粒子６の凝集体の平均粒径は、導電微粒子６の一次平均粒径よりも大きいが、それが、０．３５μｍ以下となっていると、後述の実施例からわかるように、電子加速層中で絶縁破壊が生じるほどの大きな凝集体はできておらず、導電微粒子６は均一に分散されているということができる。
【００４１】
ここで、図４に示すように電子加速層（微粒子層）中の導電微粒子の分散状態が不均一であり、導電微粒子の凝集が微粒子層中に存在すると、素子に電圧を印加したときに、導電路が形成されやすく、絶縁破壊が生じやすくなる。しかし、電子放出素子１は、上記のように、導電微粒子６が電子加速層（微粒子層４中）中に均一に分散されているため、素子の長寿命を図ることができ、電子を長期間安定して放出できる。なお、図３および４はＴＥＭ写真を示す図であるが、ＴＥＭ観察では、微粒子層４より上を樹脂で包埋し、基板２から剥離して観察を行っている。したがって、図３および４では、基板２が含まれておらず、基板２があった領域を基板領域として示している。
【００４２】
なお、導電微粒子６の周囲には、導電微粒子６の一次平均粒径より小さい絶縁体物質が存在していてもよく、導電微粒子６の一次平均粒径より小さい絶縁体物質は、導電微粒子６の表面に付着する付着物質であってもよく、付着物質は、導電微粒子６の一次平均粒径より小さい形状の集合体として、導電微粒子６の表面を被膜する絶縁被膜であってもよい。導電微粒子６の一次平均粒径より小さい絶縁体物質としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような絶縁体物質でも用いることができる。ただし、導電微粒子６の一次平均粒径より小さい絶縁体物質が導電微粒子６を被膜する絶縁被膜であり、絶縁被膜を導電微粒子６の酸化被膜によって賄った場合、大気中での酸化劣化により酸化皮膜の厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまう恐れがあるため、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、有機材料による絶縁被膜が好ましく、例えば、アルコラート、脂肪酸、アルカンチオールといった材料が挙げられる。この絶縁被膜の厚さは薄い方が有利であることが言える。
【００４３】
絶縁体微粒子５に関しては、その材料は絶縁性を持つものであれば特に制限なく用いることができる。ただし、微粒子層４を構成する微粒子全体における絶縁体微粒子５の重量割合は８０〜９５％が好ましい。なお、微粒子層（電子加速層）４に占める導電微粒子６の重量割合を３０％以下とすることで、高抵抗かつ薄膜の半導電層を形成でき、絶縁破壊が生じない微粒子層（電子加速層）４を実現できる。
【００４４】
また絶縁体微粒子５の大きさは、導電微粒子６に対して優位な放熱効果を得るため、導電微粒子６の一次平均粒径よりも大きいことが好ましく、絶縁体微粒子５の直径（一次平均粒径）は１０〜１０００ｎｍであることが好ましく、１２〜１１０ｎｍがより好ましい。従って、絶縁体微粒子５の材料はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２といったものが実用的となる。ただし、表面処理が施された小粒径シリカ粒子を用いると、それよりも粒子径の大きな球状シリカ粒子を用いるときと比べて、溶媒中に占めるシリカ粒子の表面積が増加し、溶液粘度が上昇するため、微粒子層４の膜厚が若干増加する傾向にある。また、絶縁体微粒子５の材料には、有機ポリマーから成る微粒子を用いてもよく、例えば、ＪＳＲ株式会社の製造販売するスチレン／ジビニルベンゼンから成る高架橋微粒子（ＳＸ８７４３）、または日本ペイント株式会社の製造販売するスチレン・アクリル微粒子のファインスフェアシリーズが利用可能である。ここで、絶縁体微粒子５は、２種類以上の異なる粒子を用いてもよく、また、粒径のピークが異なる粒子を用いてもよく、あるいは、単一粒子で粒径がブロードな分布のものを用いてもよい。
【００４５】
微粒子層４は薄いほど強電界がかかるため低電圧印加で電子を加速させることができるが、層厚を均一化できること、また層厚方向における電子加速層の抵抗調整が可能となること、さらに、導電微粒子６の凝集体（平均粒径０．３５μｍ以下）を含んでいても電子放出が可能なことなどから、微粒子層４の層厚は、０．５〜３μｍであるのが好ましい。
【００４６】
次に、電子放出の原理について説明する。図２は、電子放出素子１の微粒子層４付近の断面を拡大した模式図である。図２に示すように、微粒子層４は、その大部分を絶縁体微粒子５で構成され、その隙間に導電微粒子６が点在している。図２における絶縁体微粒子５および導電微粒子６の比率は、絶縁体微粒子５および導電微粒子６の総重量に対する絶縁体微粒子５の重量比率が８０％に相当する状態であり、絶縁体微粒子５一粒子当たりに付着する導電微粒子６は六粒子程度となる。
【００４７】
微粒子層４は絶縁体微粒子５と少数の導電微粒子６とで構成されるため、半導電性を有する。よって微粒子層４へ電圧を印加すると、極弱い電流が流れる。微粒子層４の電圧電流特性は所謂バリスタ特性を示し、印加電圧の上昇に伴い急激に電流値を増加させる。この電流の一部は、印加電圧が形成する微粒子層４内の強電界により弾道電子となり、上部電極３を透過あるいはその隙間を通過して電子放出素子１の外部へ放出される。弾道電子の形成過程は、電子が電界方向に加速されつつトンネルすることによるものと考えられるが、断定できていない。
【００４８】
次に、電子放出素子１の、製造方法の一実施形態について説明する。まず、基板２上に、絶縁体微粒子５と導電微粒子６とを分散させた分散液を、例えばスピンコート法を用いて塗布して、微粒子層４を形成する。ここで、分散液は、絶縁体微粒子５を分散させた溶媒と導電微粒子６のナノコロイド液と混合して分散させて作製する。なお、導電微粒子６のナノコロイド液は液体の状態で混合する。
【００４９】
このように、導電微粒子６のナノコロイド液を液体の状態で使用すると、導電微粒子６が均一分散した微粒子層４を形成することができる。なお、導電微粒子６はコロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下となっているのが好ましい。コロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下の導電微粒子を用いることで、後述の実施例に記載のように微粒子層４での分散性を高めることができる。
【００５０】
導電微粒子６のナノコロイド液の例としては、ハリマ化成株式会社が製造販売する金ナノ粒子コロイド液、応用ナノ研究所が製造販売する銀ナノ粒子、株式会社徳力化学研究所が製造販売する白金ナノ粒子コロイド液及びパラジウムナノ粒子コロイド液、株式会社イオックスの製造販売するニッケルナノ粒子ペーストなどが挙げられる。
【００５１】
また、導電微粒子６のナノコロイド液の溶媒には、絶縁体微粒子５を分散でき、かつ塗布後に乾燥できれば、特に制限なく用いることができ、例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いることができる。絶縁体微粒子５を分散する溶媒も同様に、導電微粒子６を分散でき、かつ塗布後に乾燥できれば、特に制限なく用いることができ、例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いることができる。
【００５２】
スピンコート法による成膜、乾燥、を複数回繰り返すことで微粒子層４を所定の膜厚にすることができる。微粒子層４は、スピンコート法以外に、例えば、滴下法、スプレーコート法等の方法でも成膜することができる。
【００５３】
また、微粒子層４を次のように形成してもよい。基板２上に、絶縁体微粒子５を分散させた溶媒を例えばスピンコート法を用いて塗布して、絶縁体微粒子層を形成する。その後、絶縁体微粒子層に導電微粒子６のナノコロイド液を液体の状態で添加して微粒子層４を形成してもよい。このように形成すると、絶縁体微粒子層に導電微粒子６のナノコロイド液が浸透し、導電微粒子６が均一に分散される。よって、絶縁体微粒子を分散した溶媒で導電微粒子が凝集することを回避でき、導電微粒子６が均一に分散した微粒子層４を形成できる。なお、ナノコロイド液の添加方法としては、スピンコート法以外にも、例えば、静電噴霧法、インクジェット法等の方法が利用できる。
【００５４】
微粒子層４を形成後、微粒子層４上に上部電極３を成膜する。上部電極３の成膜には、例えば、マグネトロンスパッタ法を用いればよい。また、上部電極３は、例えば、インクジェット法、スピンコート法、蒸着法等を用いて成膜してもよい。
【００５５】
（実施例）
本実施例では、本発明に係る電子放出素子を用いた電子放出実験、発光実験、粒径分布測定について図５〜１１を用いて説明する。なお、これら実験等は実施の一例であって、本発明の内容を制限するものではない。まず初めに、実施例１、２の電子放出素子および、比較例１の電子放出素子を次のように作製した。まず、実施例１、２の電子放出素子の作製方法について説明する。
【００５６】
（実施例１）
実施例１の電子放出素子は次のように作製した。まず、１０ｍＬの試薬瓶にヘキサン溶媒を３ｍＬ入れ、その中に絶縁体微粒子５として平均粒径１１０ｎｍの球状シリカ粒子を０．５ｇ投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、シリカ粒子の分散を行った。次に導電微粒子６として応用ナノ粒子研究所製の銀ナノ粒子コロイド液（銀ナノ粒子の一次平均粒径４．５ｎｍ（納品時のメーカー測定データ）、微粒子固形分濃度３７％のヘキサン分散溶液）を液体の状態で０．１２５ｇ（固形分重量）追加投入し、同様に超音波分散処理を行って、微粒子分散液Ａを得た。微粒子分散液Ａに占める絶縁体微粒子５および導電微粒子６の総質量に対する絶縁体微粒子５の重量比率は８０％であった。
【００５７】
そして、基板２として３０ｍｍ角のＳＵＳ基板上にスピンコート法を用いて、微粒子分散液Ａを堆積させて、微粒子層４を形成した。スピンコート法による成膜条件は、分散溶液Ａの基板２への滴下後に、５００ＲＰＭにて５ｓｅｃ、続いて３０００ｒｐｍにて１０ｓｅｃ、基板２の回転を行う事とした。この成膜条件を１度行い、基板２上に１層堆積させた後、室温で自然乾燥させた。微粒子層４の膜厚は約１０００ｎｍであった。この微粒子層４の表面には、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極３を成膜することにより、実施例１の電子放出素子を得た。上部電極３の成膜材料として金を使用し、上部電極３の層厚（表面電極膜厚）は４０ｎｍとした。また直径３ｍｍの円形孔のマスクを用いることで、同面積は０．０７ｃｍ２とした。
【００５８】
（実施例２）
実施例２の電子放出素子については、実施例１の電子放出素子と同様に作製した。ただし、実施例２が実施例１と異なる点は、銀ナノ粒子コロイド液中の凝集した銀ナノ粒子を用いている点である。まず、実施例１と同じである銀ナノ粒子コロイド液は、最初は銀微粒子の一次平均粒径４．５ｎｍ（納品時のメーカー測定データ）で良好に分散した、微粒子固形分濃度３７％のヘキサン分散溶液である。ただし、これを放置すると時間の経過とともに銀ナノ粒子が凝集・沈殿する。実施例２では、約１ヶ月放置後の凝集・沈殿物を含む銀ナノ粒子を使用した。この凝集・沈殿物を含む銀ナノ粒子の粒径を測定した結果は、後述するように、３４８ｎｍであった。なお、実施例１の銀ナノ粒子コロイド液では後述するように凝集体とはなっていない。
【００５９】
（比較例１）
また、比較例１の電子放出素子は次のように作製した。まず、１０ｍＬの試薬瓶にトルエン溶媒を３ｍＬ入れ、その中に絶縁体微粒子５として平均粒径１１０ｎｍの球状シリカ粒子を０．５ｇのシリカ粒子を投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、シリカ粒子の分散を行った。次に、絶縁体物質を表面に付着させた導電微粒子６として、銀ナノ粒子（一次平均粒径１０ｎｍ、うち絶縁被膜アルコラート１ｎｍ厚、ドライアップ品）を０．０５５ｇ上記試薬瓶に追加投入し、同様に超音波分散処理を行う。こうして絶縁体微粒子（シリカ粒子）の配合割合（重量比率）が９０％となる分散溶液Ｂが得られた。
【００６０】
そして、基板２として３０ｍｍ角のＳＵＳ基板上にスピンコート法を用いて分散溶液Ｂを堆積させて、微粒子層４を形成した。この微粒子層４の表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極３を成膜することにより、比較例１の電子放出素子を得た。スピンコート法による成膜条件は、分散溶液Ｂの基板２への滴下後に、５００ｒｐｍにて５ｓｅｃ続いて３０００ＲＰＭにて１０ｓｅｃ、基板２の回転を行う事とした。この成膜条件を３度繰り返し、基板２上に３層堆積させた後、室温で自然乾燥させた。微粒子層４の膜厚は約１５００ｎｍであった。
【００６１】
基板２の表面に微粒子層４を形成後、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極３を成膜した。成膜材料として金を使用し、上部電極３の層厚は１２ｎｍ、同面積は０．２８ｃｍ２とした。
【００６２】
（電子放出素子の電子放出電流の測定）
上記のように作製した実施例１、２および比較例１の電子放出素子について、図５に示す実験系を用いて単位面積あたりの電子放出電流の測定実験を行った。図５に示す実験系では、電子放出素子１の上部電極３側に、絶縁体スペーサ９を挟んで対向電極８を配置させる。そして、電子放出素子１および対向電極８は、それぞれ、電源７に接続されており、電子放出素子１にはＶ１の電圧、対向電極８にはＶ２の電圧が印加されるようになっている。このような実験系を１×１０−８ＡＴＭの真空中に配置して電子放出実験を行った。電子放出実験で、Ｖ２＝１００Ｖとした。また、絶縁体スペーサ９を挟んで、電子放出素子と対向電極との距離は５０００μｍであった。なお、真空中測定において、Ｖ２＝５０〜２００Ｖで結果に大差ない。
【００６３】
実施例１の電子放出素子は、Ｖ１＝１９．３Ｖにて、１．２７Ｅ−４Ａ／ｃｍ２の電子放出電流が確認された。実施例２の電子放出素子は、Ｖ１＝１８．３Ｖにて、５．３５Ｅ−５Ａ／ｃｍ２の電子放出電流が確認された。比較例１の電子放出素子は、Ｖ１＝２８．１Ｖにて、４．９２Ｅ−５Ａ／ｃｍ２の電子放出電流が確認された。
【００６４】
ここでは、１×１０−８ＡＴＭの真空中で電子放出させたが、貴金属（実施例では銀）の導電微粒子を用いているため、大気中でも電子放出させることができる。
【００６５】
（電子放出素子の発光の測定）
さらに、図６および７に示す発光実験装置を用いて、実施例１，２および比較例１の電子放出素子について蛍光での発光実験を行った。図６に示す発光実験装置では、電子放出素子１の上部電極３側に、ＩＴＯ付きガラス基板１５を配置させる。ＩＴＯ付きガラス基板１５には、電子放出素子１と対向する面に蛍光体１６が塗布してある。そして、ＩＴＯ付きガラス基板１５は電源と接続しており、ＩＴＯ付きガラス基板１５への印加電圧は、２０００Ｖとした。また、電子放出素子１には、バイアス電源１７に接続したバイアス電極から１５Ｖの電圧を印加した。図７は、発光実験装置の上面図（写真）である。このような発光実験装置を１×１０−８ＡＴＭの真空中に配置して電子放出実験を行った。
【００６６】
実施例１の電子放出素子の発光実験の結果を図８に示す。図８は、ＩＴＯ付きガラス基板１５の上部から発光を撮影したものである。図８より、均一な面電子が放出されていることがわかる。さらに、実施例１で用いた銀ナノ粒子のヘキサン分散コロイドの粒径分布の測定結果を図９に示す。図９から、個数粒径分布の中位径は４．９ｎｍ（０．００４９μｍ）であること、つまり、銀ナノ粒子のコロイドは、ほぼ一次粒径で存在していること、がわかった。
【００６７】
実施例２の電子放出素子の発光実験の結果を図１０に示す。図１０は、ＩＴＯ付きガラス基板１５の上部から発光を撮影したものである。図１０より、不均一な面電子が放出されていることがわかる。さらに、実施例２で用いた銀ナノ粒子のヘキサン分散コロイド凝集体の粒径分布の測定結果を図１１に示す。図１１から、個数粒径分布の中位径は０．３４８μｍであることがわかった。
【００６８】
また、比較例１の電子放出素子の発光実験の結果は、基板（下部電極）２と、上部電極３とがリークして電子放出しない素子が多かった（複数個作製した中では電子放出する素子もあった）。この比較例１で用いたドライアップ品の銀ナノ粒子のトルエン分散体の粒径分布の測定結果を図１２に示す。図１２から、個数粒径分布の中位径は２．７６８μｍであることがわかった。
【００６９】
以上の発光実験から、導電微粒子６のナノコロイド液を液体の状態で使用すると、導電微粒子６が均一分散した微粒子層４を形成することができることがわかる。さらに、導電微粒子６はコロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下となっていると微粒子層（電子加速層）４での分散性を高めることができるため、好ましいことがわかる。
【００７０】
さらに、親水性のシリカ粒子を溶媒に分散させたものと、白金微粒子のコロイド液（白金粒子の一次平均粒径１０ｎｍ、固形分濃度０．５％の水系分散溶液）とを用いた微粒子分散液Ｃから、微粒子層４を形成した電子放出素子について、上記同様に電子放出実験を行ったところ、電子放出を確認できた。また、親水性のシリカ粒子を溶媒に分散させたものと、パラジウム微粒子のコロイド液（パラジウム微粒子の一次平均粒径１２ｎｍ、固形分濃度０．５％の水系分散溶液）とを用いた微粒子分散液Ｄから、微粒子層４を形成した電子放出素子についても、上記同様に電子放出実験を行ったところ、電子放出を確認できた。
【００７１】
（実施例３）
実施例３の電子放出素子は次のように作製した。まず、１０ｍＬの試薬瓶にエタノール溶媒２．０ｇとメチルトリメトキシシランＫＢＭ−１３（信越化学工業株式会社製）０．５ｇを入れ、絶縁体微粒子５として平均粒径１２ｎｍの球状シリカ粒子ＡＥＲＯＳＩＬ Ｒ８２００（エボニックエグサジャパン株式会社製）を０．５ｇ投入し、試薬瓶を超音波分散器にかけ、絶縁体物質含有樹脂バインダー分散液Ｃを調製した。分散液Ｃに占める絶縁体微粒子５の含有率は１７重量％であった。
【００７２】
そして、基板２として３０ｍｍ角のＳＵＳ基板上に、上記で得られた分散液Ｃを滴下後、スピンコート法を用いて３０００ｒｐｍ、１０ｓで絶縁体物質含有樹脂バインダー層Ｉを形成した。この絶縁体物質含有樹脂バインダー層Ｉは常温で乾燥し、経時変化を起こさないため、続けて次の工程に移った。
【００７３】
次に、導電微粒子６の溶液として、金ナノ粒子含有ナフテン分散溶液（ハリマ化成株式会社製、金ナノ粒子の平均粒径５．０ｎｍ（カタログ記載の測定データ）、金ナノ粒子固形分濃度５２％）を、絶縁体物質含有樹脂バインダー層Ｉ上に滴下後、スピンコート法を用いて６０００ｒｐｍ、１０ｓで、基板２を回転し、微粒子層４を形成した。金ナノ粒子含有ナフテン分散溶液は、金ナノ粒子のコロイド液である。
【００７４】
その後、微粒子層４の表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極３を成膜し、実施例３の電子放出素子を得た。成膜材料には金を使用し、上部電極３の層厚は４０ｎｍ、同面積は０．０１４ｃｍ２とした。
【００７５】
この実施例３の電子放出素子は１×１０−８ＡＴＭの真空中において、薄膜電極への印加電圧Ｖ１＝２９．６Ｖにて、単位面積当たりの電子放出電流は、０．４６１ｍＡ／ｃｍ２、素子内電流は１１５ｍＡ／ｃｍ２、電子放出効率０．４０％が確認された。
【００７６】
なお、実施例３については、上記発光実験はしていないが、実施例１の銀コロイドと同様の結果となることが予想される。
【００７７】
〔実施の形態２〕
図１３に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る帯電装置９０の一例を示す。帯電装置９０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とからなり、感光体１１を帯電させるものである。本発明に係る画像形成装置は、この帯電装置９０を具備している。本発明に係る画像形成装置において、帯電装置９０を成す電子放出素子１は、被帯電体である感光体１１に対向して設置され、電圧を印加することにより、電子を放出させ、感光体１１を帯電させる。なお、本発明に係る画像形成装置では、帯電装置９０以外の構成部材は、従来公知のものを用いればよい。ここで、帯電装置９０として用いる電子放出素子１は、感光体１１から、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置するのが好ましい。また、電子放出素子１への印加電圧は２５Ｖ程度が好ましく、電子放出素子１の電子加速層の構成は、例えば、２５Ｖの電圧印加で、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるようになっていればよい。
【００７８】
帯電装置９０として用いられる電子放出素子１は、導電微粒子６が抗酸化力の高い導電体であると大気中で動作させても放電を伴わず、従って帯電装置９０からのオゾンの発生は全く無い。オゾンは人体に有害であり環境に対する各種規格で規制されているほか、機外に放出されなくとも機内の有機材料、例えば感光体１１やベルトなどを酸化し劣化させてしまう。このような問題を、本発明に係る電子放出素子１を帯電装置９０に用い、また、このような帯電装置９０を画像形成装置が有することで、解決することができる。
【００７９】
さらに帯電装置９０として用いられる電子放出素子１は、面電子源として構成されるので、感光体１１の回転方向へも幅を持って帯電を行え、感光体１１のある箇所への帯電機会を多く稼ぐことができる。よって、帯電装置９０は、線状で帯電するワイヤ帯電器などと比べ、均一な帯電が可能である。また、帯電装置９０は、数ｋＶの電圧印加が必要なコロナ放電器と比べて、１０Ｖ程度と印加電圧が格段に低くてすむというメリットもある。
【００８０】
〔実施の形態３〕
図１４〜１６に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る自発光デバイスの例をそれぞれ示す。
【００８１】
図１４に示す自発光デバイス３１は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７と、さらに、電子放出素子１と離れ、対向した位置に、基材となるガラス基板３４、ＩＴＯ膜３３、そして蛍光体３２が積層構造を有する発光部３６と、から成る。
【００８２】
蛍光体３２としては赤、緑、青色発光に対応した電子励起タイプの材料が適しており、例えば、赤色ではＹ２Ｏ３：Ｅｕ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ、緑色ではＺｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ、ＢａＡｌ１２Ｏ１９：Ｍｎ、青色ではＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋等が使用可能である。ＩＴＯ膜３３が成膜されたガラス基板３４表面に、蛍光体３２を成膜する。蛍光体３２の厚さ１μｍ程度が好ましい。また、ＩＴＯ膜３３の膜厚は、導電性を確保できる膜厚であれば問題なく、本実施形態では１５０ｎｍとした。
【００８３】
蛍光体３２を成膜するに当たっては、バインダーとなるエポキシ系樹脂と微粒子化した蛍光体粒子との混練物として準備し、バーコーター法或いは滴下法等の公知な方法で成膜するとよい。
【００８４】
ここで、蛍光体３２の発光輝度を上げるには、電子放出素子１から放出された電子を蛍光体へ向けて加速する必要があり、その場合は電子放出素子１の基板２と発光部３６のＩＴＯ膜３３の間に、電子を加速する電界を形成するための電圧印加するために、電源３５を設けるとよい。このとき、蛍光体３２と電子放出素子１との距離は、０．３〜１ｍｍで、電源７からの印加電圧は１８Ｖ、電源３５からの印加電圧は５００〜２０００Ｖにするのが好ましい。
【００８５】
図１５に示す自発光デバイス３１’は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７、さらに、蛍光体３２を備えている。自発光デバイス３１’では、蛍光体３２は平面状であり、電子放出素子１の表面に蛍光体３２が配置されている。ここで、電子放出素子１表面に成膜された蛍光体３２の層は、前述のように微粒子化した蛍光体粒子との混練物から成る塗布液として準備し、電子放出素子１表面に成膜する。但し、電子放出素子１そのものは外力に対して弱い構造であるため、バーコーター法による成膜手段は利用すると素子が壊れる恐れがある。このため滴下法或いはスピンコート法等の方法を用いるとよい。
【００８６】
図１６に示す自発光デバイス３１”は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７を備えており、さらに、電子放出素子１の微粒子層４に蛍光体３２’として蛍光の微粒子が混入されている。この場合、蛍光体３２’の微粒子を絶縁体微粒子５と兼用させてもよい。但し前述した蛍光体の微粒子は一般的に電気抵抗が低く、絶縁体微粒子５に比べると明らかに電気抵抗は低い。よって蛍光体の微粒子を絶縁体微粒子５に変えて混合する場合、その蛍光体の微粒子の混合量は少量に抑えなければ成らない。例えば、絶縁体微粒子５として球状シリカ粒子（平均粒径１１０ｎｍ）、蛍光体微粒子としてＺｎＳ：Ｍｇ（平均径５００ｎｍ）を用いた場合、その重量混合比は３：１程度が適切となる。
【００８７】
上記自発光デバイス３１，３１’，３１”では、電子放出素子１より放出させた電子を蛍光体３２，３２に衝突させて発光させる。なお、自発光デバイス３１，３１’，３１”は、電子放出素子１の導電微粒子６が抗酸化力の高い導電体であると大気中で電子を放出できるため、大気中動作可能である。また、導電微粒子６がどのような導電体であっても、真空封止すれば電子放出電流が上がり、より効率よく発光することができる。
【００８８】
さらに、図１７に、本発明に係る自発光デバイスを備えた本発明に係る画像表示装置の一例を示す。図１７に示す画像表示装置１４０は、図１６で示した自発光デバイス３１”と、液晶パネル３３０とを供えている。画像表示装置１４０では、自発光デバイス３１”を液晶パネル３３０の後方に設置し、バックライトとして用いている。画像表示装置１４０に用いる場合、自発光デバイス３１”への印加電圧は、２０〜３５Ｖが好ましく、この電圧にて、例えば、単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるようになっていればよい。また、自発光デバイス３１”と液晶パネル３３０との距離は、０．１ｍｍ程度が好ましい。
【００８９】
また、本発明に係る画像表示装置として、図１４に示す自発光デバイス３１を用いる場合、自発光デバイス３１をマトリックス状に配置して、自発光デバイス３１そのものによるＦＥＤとして画像を形成させて表示する形状とすることもできる。この場合、自発光デバイス３１への印加電圧は、２０〜３５Ｖが好ましく、この電圧にて、例えば、単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるようになっていればよい。
【００９０】
〔実施の形態４〕
図１８及び図１９に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る冷却装置の例をそれぞれ示す。なお、冷却装置を送風装置として利用してもよい。
【００９１】
図１８に示す冷却装置１５０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とからなる。冷却装置１５０において、電子放出素子１は、電気的に接地された被冷却体４１に向かって電子を放出することにより、イオン風を発生させて被冷却体４１を冷却する。冷却させる場合、電子放出素子１に印加する電圧は、１８Ｖ程度が好ましく、この電圧で、雰囲気下に、例えば、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子を放出することが好ましい。
【００９２】
図１９に示す冷却装置１６０は、図１８に示す冷却装置１５０に、さらに、送風ファン４２が組み合わされている。図１９に示す冷却装置１６０は、電子放出素子１が電気的に接地された被冷却体４１に向かって電子を放出し、さらに、送風ファン４２が被冷却体４１に向かって送風することで電子放出素子１から放出された電子を被冷却体４１に向かって送り、イオン風を発生させて被冷却体４１を冷却する。この場合、送風ファン４２による風量は、０．９〜２Ｌ／分／ｃｍ２とするのが好ましい。
【００９３】
ここで、送風によって被冷却体４１を冷却させようとするとき、従来の冷却装置のようにファン等による送風だけでは、被冷却体４１の表面の流速が０となり、最も熱を逃がしたい部分の空気は置換されず、冷却効率が悪い。しかし、送風される空気の中に電子やイオンといった荷電粒子を含まれていると、被冷却体４１近傍に近づいたときに電気的な力によって被冷却体４１表面に引き寄せられるため、表面近傍の雰囲気を入れ替えることができる。ここで、本発明に係る冷却装置１５０，１６０では、送風する空気の中に電子やイオンといった荷電粒子を含んでいるので、冷却効率が格段に上がる。
【００９４】
冷却装置１５０，１６０に用いられる電子放出素子１は、導電微粒子６が抗酸化力の高い導電体であると大気中で動作させることができる。
【００９５】
上述した実施形態および実施は例示であり、電子放出素子１は、他にも、例えば、電子線硬化装置に用いることができる。電子線硬化装置は、電子放出素子と、これに電圧を印加する電源と、さらに電子を加速させる加速電極とを備えている。
【００９６】
つまり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明に係る電子放出素子は、電気的導通を確保して十分な素子内電流を流し、薄膜電極から弾道電子を放出させることが可能である。よって、例えば、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置の帯電装置や、電子線硬化装置、或いは発光体と組み合わせることにより画像表示装置、または放出された電子が発生させるイオン風を利用することにより冷却装置等に、好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１ 電子放出素子
２ 基板（電極基板）
３ 上部電極（薄膜電極）
４ 微粒子層（電子加速層）
５ 絶縁体微粒子
６ 導電微粒子
７ 電源（電源部）
８ 対向電極
９ 絶縁体スペーサ
１０ 電子放出装置
１１ 感光体
２１ 加速電極
２２ レジスト
３１，３１’，３１” 自発光デバイス
３２，３２’ 蛍光体
３３ ＩＴＯ膜
３４ ガラス基板
３５ 電源
３６ 発光部
４１ 被冷却体
４２ 送風ファン
５１ 開口部
９０ 帯電装置
１００ 電子線硬化装置
１４０ 画像表示装置
１５０ 冷却装置
１６０ 冷却装置
３３０ 液晶パネル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極基板と薄膜電極と該電極基板および該薄膜電極に挟持された電子加速層とを有し、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧が印加されると、上記電子加速層で電子を加速させて、上記薄膜電極から該電子を放出させる電子放出素子であって、
上記電子加速層には、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子とが含まれており、
上記電子加速層において上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は、０．３５μｍ以下となっていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
上記導電微粒子は、抗酸化力が高い導電体であることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
上記導電微粒子は、貴金属であることを特徴とする請求項２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
上記導電微粒子の一次平均粒径は、３〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項５】
電極基板と、薄膜電極と、該電極基板および該薄膜電極に挟持され、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子とを含む電子加速層と、を有し、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧が印加されると、上記電子加速層で電子を加速させて、上記薄膜電極から該電子を放出させる電子放出素子の製造方法であって、
上記電極基板上に、上記導電微粒子のナノコロイド液を液体の状態で用いて上記電子加速層を形成する電子加速層形成ステップを含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項６】
上記導電微粒子はコロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下となっている請求項５に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項７】
上記電子加速層形成ステップでは、上記導電微粒子のナノコロイド液と上記絶縁体微粒子とを分散した溶媒とを混合し、上記電極基板上に塗布することを特徴とする請求項５または６に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を備えたことを特徴とする電子放出装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電子放出装置と発光体とを備えたことを特徴とする自発光デバイス。
【請求項１０】
請求項９に記載の自発光デバイスを備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１１】
請求項２に記載の電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を有する電子放出装置を備え、該電子放出装置から電子を放出させて被冷却体を冷却させることを特徴とする冷却装置。
【請求項１２】
請求項２に記載の電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を有する電子放出装置を備え、該電子放出装置から電子を放出させて感光体を帯電させることを特徴とする帯電装置。
【請求項１】
電極基板と薄膜電極と該電極基板および該薄膜電極に挟持された電子加速層とを有し、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧が印加されると、上記電子加速層で電子を加速させて、上記薄膜電極から該電子を放出させる電子放出素子であって、
上記電子加速層には、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子とが含まれており、
上記電子加速層において上記導電微粒子の凝集体の平均粒径は、０．３５μｍ以下となっていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
上記導電微粒子は、抗酸化力が高い導電体であることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
上記導電微粒子は、貴金属であることを特徴とする請求項２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
上記導電微粒子の一次平均粒径は、３〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項５】
電極基板と、薄膜電極と、該電極基板および該薄膜電極に挟持され、導電微粒子と該導電微粒子の一次平均粒径より大きい一次平均粒径の絶縁体微粒子とを含む電子加速層と、を有し、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧が印加されると、上記電子加速層で電子を加速させて、上記薄膜電極から該電子を放出させる電子放出素子の製造方法であって、
上記電極基板上に、上記導電微粒子のナノコロイド液を液体の状態で用いて上記電子加速層を形成する電子加速層形成ステップを含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項６】
上記導電微粒子はコロイド状態での平均粒径が０．３５μｍ以下となっている請求項５に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項７】
上記電子加速層形成ステップでは、上記導電微粒子のナノコロイド液と上記絶縁体微粒子とを分散した溶媒とを混合し、上記電極基板上に塗布することを特徴とする請求項５または６に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を備えたことを特徴とする電子放出装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電子放出装置と発光体とを備えたことを特徴とする自発光デバイス。
【請求項１０】
請求項９に記載の自発光デバイスを備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１１】
請求項２に記載の電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を有する電子放出装置を備え、該電子放出装置から電子を放出させて被冷却体を冷却させることを特徴とする冷却装置。
【請求項１２】
請求項２に記載の電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を有する電子放出装置を備え、該電子放出装置から電子を放出させて感光体を帯電させることを特徴とする帯電装置。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図２】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２１１９６７（Ｐ２０１０−２１１９６７Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４２３１（Ｐ２００９−５４２３１）
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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