電子放出素子およびそれを備えた電子放出装置
【課題】微粒子層を有する電子放出素子において、電子放出素子としての機能低下を引き起こすことなく実装に適した構成として、長時間連続して安定した電子放出が得られる電子放出素子を提供する。
【解決手段】電子放出素子９は、第１電極１と、第２電極６との間に、絶縁性微粒子４ａを含む電子加速層４を有する。第２電極６には、引き出し電極７が設けられ、引き出し電極７上に金属パッド８が接着されている。第１電極１上であり、第１電極１の表面を投影面として、引き出し電極７とその上に接着された金属パッド８が第１電極１の表面の法線方向に投影された領域には、この領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜２が設けられている。
【解決手段】電子放出素子９は、第１電極１と、第２電極６との間に、絶縁性微粒子４ａを含む電子加速層４を有する。第２電極６には、引き出し電極７が設けられ、引き出し電極７上に金属パッド８が接着されている。第１電極１上であり、第１電極１の表面を投影面として、引き出し電極７とその上に接着された金属パッド８が第１電極１の表面の法線方向に投影された領域には、この領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜２が設けられている。
【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およびそれを備えた電子放出装置、並びに電子放出装置を備えた各種装置に関する。
【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）型電極等で構成された電子放出素子が知られている。この電子放出素子は、例えば、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）の分野への応用が検討されており、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を放出することができる。
【０００３】
しかしながら、これら２つのタイプの電子放出素子は、電子放出部の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容易に電離する。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。
【０００４】
また、大気中の酸素は電離エネルギーよりも解離エネルギーの方が低いため、イオンの発生よりも先にオゾンが発生する。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。
【０００５】
このような背景から、前記とは別のタイプの電子放出素子として、ＭＩＭ（Metal Insulator Metal）型とＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）型の電子放出素子が開発されている。
【０００６】
これらは、素子内部の量子サイズ効果および強電界を利用して電子を加速し、平面状の素子表面から電子を放出させる面放出型の電子放出素子である。これらの電子放出素子は、素子内部の電子加速層で加速した電子を放出するため、素子外部に強電界を必要としない。
【０００７】
したがって、ＭＩＭ型およびＭＩＳ型の電子放出素子は、前記スピント型、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。
【０００８】
ところで、ＭＩＭ型およびＭＩＳ型の電子放出素子は、一般にピンホールや絶縁破壊等が生じやすい。そのため、これらの電子放出素子には、微粒子を有する絶縁膜を用いてピンホールや絶縁破壊等の発生を防止することが知られている。
【０００９】
例えば、特許文献１には、相対向する２枚の電極の間に微粒子を含む絶縁体を設けたＭＩＭ型の電子放出素子が記載されている。
【００１０】
また、特許文献２には、基板と、炭素系電子放出材料（例えば、カーボンナノチューブ）で構成された基板上の電子放出部と、電子放出部よりも厚く基板上に形成された絶縁膜と、電子放出部と対向するよう絶縁膜上に形成されて電子放出部から電子を引き出すための電子引き出し電極とを備え、上記絶縁膜が、絶縁粒子からなる粉体層と、この粉体層を覆うように形成された酸化物絶縁体とからなる固定層とから構成さされている電子放出素子が記載されている。
【００１１】
さらに、特許文献３には、電極基板と薄膜電極との間に、絶縁体微粒子を含む微粒子層からなる電子加速層を有する電子放出素子が記載されている。この電子放出素子は、電極基板と薄膜電極とを有し、当該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することで、当該電極基板と薄膜電極との間で電子を加速させて、当該薄膜電極から当該電子を放出させる電子放出素子であり、電極基板と薄膜電極との間に、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、該導電微粒子より大きい絶縁体微粒子とからなる電子加速層が設けられた構成の電子放出素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１−２９８６２３号公報
【特許文献２】特開２０００−３１１６４０号公報
【特許文献３】特開２００９−１４６８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、上記微粒子層からなる絶縁膜や電子加速層を有する電子放出素子においては、これを、ボンディング等で実装する場合に、ボンディングの圧力や振動などの衝撃によって微粒子層が損傷を受けやすいといった問題がある。
【００１４】
また、微粒子層を有する電子放出素子の素子表面には、微粒子から構成されるために微粒子による微小な凹凸が存在する。素子表面に凹凸があると、ボンディングワイヤと素子表面の電極との接触面積が小さくなり、ボンディングの密着性が低くなるといった問題もある。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、微粒子層を有する電子放出素子において、電子放出素子としての機能低下を引き起こすことなく実装に適した構成として、長時間連続して安定した電子放出が得られる電子放出素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このような課題を解決する手法として、本願発明者らは、電極基板と薄膜電極との間に、絶縁体微粒子を含む微粒子層からなる電子加速層を有する電子放出素子において、素子表面の薄膜電極上に、１００〜５００μｍの厚みを有する、表面形状が平坦な金属片をボンディングパッド（以下金属パッドとする）として設けることを試みた。
【００１７】
金属パッドを設けたことで、ボンディングワイヤは金属パッドにボンディングされることとなり、ボンディングの圧力や振動などの衝撃は金属パッドに吸収されて、微粒子層（電子加速層）に伝わるのを防ぐことができる。
【００１８】
また、金属パッドの表面は平坦であるので、ボンディングワイヤとの接触面積が増え、ボンディングの密着性を高めることが可能である。つまり、つまり、絶縁性微粒子４ａによる微小な凹凸のある素子表面を平坦化することができる。
【００１９】
ところが、金属パッドを設けた電子放出素子では、電極基板から薄膜電極へと電流が流れるにあたり、金属パッドを設置した領域において大電流が流れやすいことがわかった。特に、電子放出素子を長時間連続して動作させた場合には、金属パッドの設置領域に電流が集中してしまい、やがて素子活性領域に電流が行き渡らなくなってしまうとともに、素子が絶縁破壊してしまうという問題も発生した。
【００２０】
つまり、実装に適した構成とはなったものの、長時間連続して安定した電子放出を行うといった電子放出素子としての本来の機能が低下することとなった。
【００２１】
そこで、本願発明者らは、上記目的を達成するべく、さらなる鋭意検討を行い、本願発明を行うに至った。
【００２２】
本発明の第１の電子放出素子は、第１電極、絶縁性微粒子を含む電子加速層、および第２電極が順次積層され、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、前記第１電極から放出される電子を前記電子加速層において加速させて前記第２電極から外部へ放出させる電子放出素子において、前記第２電極上に接着された金属パッドと、前記第１電極の表面を投影面として前記金属パッドが前記第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第１投影領域を覆うように前記第１電極上に設けられた、前記第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜と、を備えることを特徴としている。
【００２３】
まずは、上記構成における電子放出のメカニズムを説明する。第１電極と第２電極との間に電圧が印加されると、第１電極から、第１電極と第２電極との間における電子加速層中の絶縁性微粒子の表面に電子が移る。絶縁性微粒子の内部は高抵抗であるため、電子は絶縁性微粒子の表面を伝導していく。このとき、絶縁性微粒子の表面の不純物、絶縁性微粒子が酸化物である場合の酸素欠陥、あるいは絶縁性微粒子間の接点で、電子がトラップされる。このトラップされた電子は固定化された電荷として働く。その結果、電子加速層の表面では、印加電圧と、トラップされた電子が作る電界とが合わさって強電界が発生し、その強電界によって電子が加速され、第２電極から電子が放出される。
【００２４】
上記構成によれば、第２電極上に金属パッドが接着されている。これにより、ボンディングワイヤはこの金属パッドにボンディングされることとなり、ボンディングの圧力や振動などの衝撃は金属パッドに吸収されて、絶縁性微粒子層を含む微粒子層である電子加速層に伝わるのを防ぐことができる。また、金属パッドの表面は平坦であるので、ボンディングワイヤとの接触面積が増え、ボンディングの密着性を高めることが可能である。
【００２５】
しかも、第１電極上には、第１電極の表面に対して金属パッドを投影した第１投影領域を覆うように、第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜が設けられている。これにより、第１電極から金属バッドの設置領域へ電流が流れることを阻止して、素子活性領域に安定した電流を供給することが可能となり、長時間連続して動作させても、安定した電子放出を得ることができる。
【００２６】
本発明の第２の電子放出素子は、第１電極、絶縁性微粒子からなる電子加速層、および第２電極が順次積層され、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、前記第１電極から放出される電子を前記電子加速層において加速させて前記第２電極から外部へ放出させる電子放出素子において、前記第２電極上に少なくとも一部が重なるように設けられた引き出し電極と、前記引き出し電極上に接着された金属パッドと、前記第１電極の表面を投影面として前記引き出し電極および前記金属パッドが前記第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域を覆うように前記第１電極上に設けられた、前記第２投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備えることを特徴としている。
【００２７】
第１の電子放出素子においては、金属パッドは第２電極上に接着されている構成であったが、第２の電子放出素子においては、第２電極上に少なくとも一部が重なる引き出し電極が設けられた構成である。金属パッドはこの引き出し電極上に接着される。
【００２８】
引き出し電極を設けることで、第２電極の形状を、引き出しを考慮せずに設計することができる。しかしながら、引き出し電極を設けた場合、第２電極と引き出し電極とを接合する部分で電極膜の厚みが厚くなるので、厚みの増した部分においても、金属パッドの設置領域と同様の電流集中が起こる。
【００２９】
上記構成によれば、電流阻止絶縁膜は、第１電極の表面に対して金属パッドおよび引き出し電極を投影した第２投影領域を覆うように設けられている。これにより、第１電極から引き出し電極の形成領域および金属バッドの設置領域へ電流が流れることを阻止して、素子活性領域に安定した電流を供給することが可能となり、長時間連続して動作させても、安定した電子放出を得ることができる。
【００３０】
また、本発明の上記第１、第２の電子放出素子においては、さらに、第１電極上に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する前記第１電極からの電子の放出を制御する電子放出制御絶縁膜を備え、前記小孔に、前記電子加速層における絶縁性微粒子が埋め込まれている構成とすることが好ましい。
【００３１】
上記構成によれば、前記第１電極上に膜厚方向に貫通した複数の小孔を有した、第１電極からの電子の放出を制御する電子放出制御絶縁膜が設けられている。そして、小孔には、電子加速層における絶縁性微粒子が埋め込まれている。
【００３２】
このような構成では、電子は、第１電極から、電子放出制御絶縁膜に設けられた各小孔内に入り込んだ電子加速層に移動し、前記メカニズムで電子が放出される。電子放出制御絶縁膜では、電気抵抗が高く、第１電極からの電子が電子放出制御絶縁膜から上層に移動しないため、電子放出が起こらない。この結果、小孔部分でのみ電子が放出されることになり、素子全体に配置した小孔から電子が均一に電子が放出される。また、電子放制御絶縁膜のパターンにしたがって電子放出が生じる素子構造になっているので、制御性よく電子を放出させることができる。
【００３３】
また、電子放出制御絶縁膜を設ける構成においては、さらに、前記電子加速層の前記第２電極側の面に、炭素薄膜が配置されている構成とすることが好ましい。
【００３４】
電子放出制御絶縁膜における複数の小孔部分に電界が集中した状態が続くと、電子放出素子に局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスがかかり、小孔周辺部分に欠陥が生じる場合がある。そして、欠陥数が増加すると電流のパスが生じて絶縁破壊につながる。
【００３５】
これに対し、上記構成にように、炭素薄膜を設けることで、炭素薄膜が抵抗体として作用して、電子放出素子にかかる局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスが緩和されることになり、この結果、欠陥が生じ難く、絶縁破壊が生じ難くなる。これにより、適度な電圧で十分な電子を放出することができると共に、絶縁破壊が生じ難く、長時間の連続動作が可能となる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の第１の電子放出素子は、第２電極上に接着された金属パッドと、第１電極の表面を投影面として金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第１投影領域を覆うように第１電極上に設けられた、第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備える構成である。
【００３７】
本発明の第２の電子放出素子は、第２電極上に少なくとも一部が重なるように設けられた引き出し電極と、引き出し電極上に接着された金属パッドと、第１電極の表面を投影面として引き出し電極および金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域を覆うように第１電極上に設けられた、第２投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備える構成である。
【００３８】
これにより、微粒子層を有する電子放出素子において、電子放出素子としての機能低下を引き起こすことなく実装に適した構成として、長時間連続して安定した電子放出が得られる電子放出素子を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の電子放出素子の実施形態１の構成を示す模式図である。
【図２】実施形態１の電子放出素子を用いた帯電装置の一例を示す模式図である。
【図３】実施形態１の電子放出素子を用いた実施形態３−１の自発光デバイスを示す模式図である。
【図４】実施形態１の電子放出素子を用いた実施形態３−２の自発光デバイスを示す模式図である。
【図５】別の電子放出素子を用いた実施形態３−３の自発光デバイスを示す模式図である。
【図６】実施形態３−３の自発光デバイスを用いた実施形態３−４の画像表示装置を示す模式図である。
【図７】実施形態１の電子放出素子を用いた実施形態４−１のイオン風発生装置を示す模式図である。
【図８】実施形態１の電子放出素子を用いた実施形態４−２のイオン風発生装置を示す模式図である。
【図９】その他の実施形態の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図１０】その他の実施形態の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図１１】その他の実施形態の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図１２】実施形態１の電子放出素子を用いて電子放出実験の測定系を示す模式図である。
【図１３】実施例１の電子放出素子における真空中でのエージング試験結果を示す図である。
【図１４】比較例１の電子放出素子における真空中でのエージング試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本発明の第１の電子放出素子は、第２電極上に接着された金属パッドと、第１電極の表面を投影面として金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第１投影領域を覆うように第１電極上に設けられた、第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備える構成である。
【００４１】
上記構成によれば、第２電極上に金属パッドが接着されている。これにより、ボンディングワイヤはこの金属パッドにボンディングされることとなり、ボンディングの圧力や振動などの衝撃は金属パッドに吸収されて、絶縁性微粒子層を含む微粒子層である電子加速層に伝わるのを防ぐことができる。また、金属パッドの表面は平坦であるので、ボンディングワイヤとの接触面積が増え、ボンディングの密着性を高めることが可能である。
【００４２】
さらに、第１電極上には、第１電極の表面に対して金属パッドを投影した第１投影領域を覆うように、第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜が設けられている。これにより、第１電極から金属バッドの設置領域へ電流が流れることを阻止して、素子活性領域に安定した電流を供給することが可能となり、長時間連続して動作させても、安定した電子放出を得ることができる。
【００４３】
本発明の第２の電子放出素子は、第２電極上に少なくとも一部が重なるように設けられた引き出し電極と、引き出し電極上に接着された金属パッドと、第１電極の表面を投影面として引き出し電極および金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域を覆うように第１電極上に設けられた、第２投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備える構成である。
【００４４】
第１の電子放出素子においては、金属パッドは第２電極上に接着されている構成であったが、第２の電子放出素子においては、第２電極上に少なくとも一部が重なる引き出し電極が設けられた構成であり、金属パッドはこの引き出し電極上に接着される。
【００４５】
引き出し電極を設けることで、第２電極の形状を引き出しを考慮せずに設計することができる。しかしながら、引き出し電極を設けた場合、第２電極と引き出し電極とを接合する部分で電極膜の厚みが厚くなるので、厚みの増した部分においても、金属パッド設置部分と同様の電流集中が起こる。
【００４６】
上記構成によれば、電流阻止絶縁膜は、第１電極の表面に対して金属パッドおよび引き出し電極を投影した第２投影領域を覆うように設けられている。これにより、第１電極から引き出し電極の形成領域および金属バッドの設置領域へ電流が流れることを阻止して、素子活性領域に安定した電流を供給することが可能となり、長時間連続して動作させても、安定した電子放出を得ることができる。以下、第１、第２の電子放出素子を、特に区別する必要のない限り、単に電子放出素子と称する。
【００４７】
金属パッドとしては、例えば、金、銀、アルミニウム、銅などの導電材料から成る微小な金属片を用いることができる。これらの中でも、低抵抗であること、加工のしやすさなどの観点から金がより好ましい。
【００４８】
これらの金属パッドの厚みは、１００〜５００μｍとすることができる。１００μmより薄くなると、金属パッド部分へのボンディングの際、下層の絶縁性微粒子から成る電子加速層がボンディングの衝撃に耐えられず壊れてしまう。
【００４９】
また金属パッドの形状は、上面および下面が平坦であれば、その平面視形状は特に限定されず、例えば、多角形（正三角形、正方形、長方形、菱形、五角形、六角形等）、円形、楕円形等が挙げられる。
【００５０】
金属パッドを第２電極あるいは引き出し電極へと接着するための接着剤としては、無溶剤導電性ペーストを用いることができる。導電性材料としては、金属パッドと第２電極あるいは引き出し電極との密着性が高く、優れた導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、導電性ペーストＣＴ２００シリーズ、ＣＴ２８４シリーズ（京セラケミカル株式会社製）やドータイトFA−７０５EN、SA−２０２４（藤倉化学株式会社製）などが挙げられる。
【００５１】
また、本発明の電子放出素子においては、さらに、第１電極上に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する第１電極からの電子の放出を制御する電子放出制御絶縁膜を備え、小孔に、電子加速層における絶縁性微粒子が埋め込まれている構成とすることが好ましい。
【００５２】
このような構成では、電子は、第１電極から、電子放出制御絶縁膜に設けられた各小孔内に入り込んだ電子加速層に移動し、前記メカニズムで電子が放出される。電子放出制御絶縁膜では、電気抵抗が高く、第１電極からの電子が電子放出制御絶縁膜から上層に移動しないため、電子放出が起こらない。この結果、小孔部分でのみ電子が放出されることになり、素子全体に配置した小孔から電子が均一に電子が放出される。また、電子放制御絶縁膜のパターンにしたがって電子放出が生じる素子構造になっているので、制御性よく電子を放出させることができる。
【００５３】
電流阻止絶縁膜および、電子放出制御絶縁膜としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン窒化酸化膜などの無機膜、シリコーン樹脂膜、アクリル系樹脂膜、ポリイミド系樹脂膜、エポキシ系樹脂膜、ポリエステル系樹脂膜、ポリウレタン系樹脂膜、ポリスチレン系樹脂膜などの有機膜等の絶縁膜を用いることができる。これらの中でも、抵抗値、耐熱性、吸水率、機械的強度などの観点から、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂膜、アクリル樹脂膜およびポリイミド樹脂膜がより好ましい。
【００５４】
これらの絶縁膜の膜厚は、電子放出素子に印加する電圧の大きさによって異なるが、例えば、膜厚１００〜３０００ｎｍとすることができる。
【００５５】
また、電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜は、これら各種絶縁膜の単層膜であっても積層膜であってもよい。
【００５６】
電流阻止絶縁膜は、金属パッドを第２電極上に直接接着する構成の場合は、第１電極の表面を投影面として金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第１投影領域の面積以上の大きさの平坦膜であればよい。引き出し電極を設け、その上に金属パッドを接着する構成の場合は、第１電極の表面を投影面として引き出し電極とその上に接着された金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域の面積以上の大きさの平坦膜であればよい。
【００５７】
電子放出制御絶縁膜に形成される複数の小孔のサイズ、形状、密度等は、隣接する小孔相互における電界が互いに干渉しない程度であればよい。また、小孔はランダムに配置されていて構わないが、電子放出素子からより均一に電子を放出できる観点から、縦横整然とマトリックス状に配置されていることが好ましい。
【００５８】
小孔は、一辺が１〜５００μｍの正方形内に収まるサイズを有し、その平面視形状は特に限定されず、例えば、多角形（正三角形、正方形、長方形、菱形、五角形、六角形等）、円形、楕円形等が挙げられる。このとき、電子放出素子の第２電極の外表面から垂直方向に電子が安定して放出できるように、小孔の膜厚方向の断面形状は長方形または正方形であることが望ましい。
【００５９】
また、小孔は５〜２０００個／ｍｍ２の密度で電子放出制御絶縁膜に配置される。なお、小孔のサイズ、形状、密度等が、隣接する小孔相互における電界が互いに干渉する程度に設定された場合、電子放出の均一性や制御性が損なわれてしまう。
【００６０】
このように、電子放出制御絶縁膜は、第１電極上に形成された絶縁膜であり、複数の小孔を有することにより、電子放出素子の電子放出を面内で均一に制御する機能を有する。
【００６１】
本発明の電子放出素子の電子放出は、次のようなメカニズムによって行われる。
【００６２】
つまり、第１電極と第２電極との間に電圧が印加されると、第１電極から、第１電極と第２電極との間における電子加速層中の絶縁性微粒子の表面に電子が移る。絶縁性微粒子の内部は高抵抗であるため、電子は絶縁性微粒子の表面を伝導していく。このとき、絶縁性微粒子の表面の不純物、絶縁性微粒子が酸化物である場合の酸素欠陥、あるいは絶縁性微粒子間の接点で、電子がトラップされる。このトラップされた電子は固定化された電荷として働く。
【００６３】
その結果、電子加速層の表面では、印加電圧と、トラップされた電子が作る電界とが合わさって強電界が発生し、その強電界によって電子が加速され、第２電極から電子が放出される。
【００６４】
電子放出制御絶縁膜を設けた構成では、電子放出制御絶縁膜に設けられた厚み方向に貫通する複数の小孔に入り込んだ電子加速層に電子が移動し、前記メカニズムで電子が放出される。電子放出制御絶縁膜では、電気抵抗が高く、第１電極からの電子が電子放出制御絶縁膜から上層に移動しないため、電子放出が起こらない。
【００６５】
この結果、小孔部分でのみ電子が放出されることになり、素子全体に配置した小孔から電子が均一に電子が放出される。また、電子放制御絶縁膜のパターンにしたがって電子放出が生じる素子構造になっているので、制御性よく電子が放出される。
【００６６】
このように、電子放出制御絶縁膜を設けた構成では、電子放出制御絶縁膜に電子放出させる部分（小孔）と電子放出させない部分とが交互に配列したパターン構造であるため、前記メカニズムに基づいて均一に制御性よく電子放出することができる。
【００６７】
また、電子放出制御絶縁膜を設ける構成においては、さらに、電子加速層の第２電極側の面に、炭素薄膜が配置されている構成とすることが好ましい。
【００６８】
詳細については後述するが、電子放出制御絶縁膜における複数の小孔部分に電界が集中した状態が続くと、電子放出素子に局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスがかかり、小孔周辺部分に欠陥が生じる場合がある。そして、欠陥数が増加すると電流のパスが生じて絶縁破壊につながる。
【００６９】
炭素薄膜を設けることで、炭素薄膜が抵抗体として作用して、電子放出素子にかかる局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスが緩和されることになる。
【００７０】
この結果、欠陥が生じ難く、絶縁破壊が生じ難くなる。これにより、適度な電圧で十分な電子を放出することができると共に、絶縁破壊が生じ難く、長時間の連続動作が可能となる。
【００７１】
また、電子放出素子に印加する電圧は、直流電圧でも交流電圧でもどちらでもよいが、電子放出量が比較的安定している交流電圧の方が好ましい。以下、本明細書において、単に「電圧」というときは「交流電圧」と「直流電圧」の両方を指すものとする。
【００７２】
本発明の第１の電子放出素子は、上層において金属パッドが設置される、第１電極上の領域に、平坦な電流阻止絶縁膜を形成する工程Ａと、第１電極上に電流阻止絶縁膜を覆うように絶縁性微粒子を含む電子加速層を形成する工程Ｂと、電子加速層上に第２電極を形成する工程Ｃと、下層に電流阻止絶縁膜が形成されている第２電極上の領域に金属パッドを接着する工程Ｄとを含む電子放出素子の製造方法により製造することができる。
【００７３】
また、工程Ａに代えて、第１電極上に、平坦な電流阻止絶縁膜と共に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する電子放出制御絶縁膜とを形成する工程Ａ’とし、第１電極上に電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜を覆うように絶縁性微粒子を含む電子加速層を形成する工程Ｂ’とすることで、電子放出制御絶縁膜を有する第１の電子放出素子を製造することができる。
【００７４】
本発明の第２の電子放出素子は、上層において金属パッドが設置される、第１電極上の領域に、平坦な電流阻止絶縁膜を形成する工程Ａと、第１電極上に電流阻止絶縁膜を覆うように絶縁性微粒子を含む電子加速層を形成する工程Ｂと、前記電子加速層上に第２電極を形成する工程Ｃと、電子加速層上における下層に電流阻止絶縁膜が形成されている領域に、第２電極と少なくとも一部が重なるように引き出し電極を形成する形成する工程Ｅと、引き出し電極上に金属パッドを接着する工程Ｆとを含む電子放出素子の製造方法により製造することができる。
【００７５】
また、工程Ａに代えて、第１電極上に、平坦な電流阻止絶縁膜と共に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する電子放出制御絶縁膜とを形成する工程Ａ’とし、第１電極上に電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜を覆うように絶縁性微粒子を含む電子加速層を形成する工程Ｂ’とすることで、電子放出制御絶縁膜を有する第２の電子放出素子を製造することができる。
【００７６】
ここで、電子放出制御絶縁膜を有する電子放出素子であって、電子加速層の膜厚が電子放出制御絶縁膜の膜厚と等しい電子放出素子を製造する場合、前記工程Ｂ’と工程Ｃの間に、例えば、エッチングまたは化学機械研磨（ＣＭＰ）により、電子放出制御絶縁膜が露出するまで電子加速層を除去する工程が含まれる。この場合、工程Ｃにおいて、第２電極は、各小孔内の電子加速層上と電子放出制御絶縁膜上に形成される。
【００７７】
前記工程Ａ’は、例えば、第１電極上に電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上にレジストパターン膜を形成する工程と、該レジストパターン膜をマスクとして前記絶縁膜をエッチングして、電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜のパターニング、および電子放出制御絶縁膜となる部分の絶縁膜に複数の小孔を形成し、それによって電子放出制御絶縁膜を形成する工程とを含む。
【００７８】
また、前記炭素薄膜を有する電子放出素子を製造する場合、電子加速層の第２電極側の面に、炭素薄膜を形成する工程をさらに含む。つまり、炭素薄膜の形成工程は、工程Ｂ’と工程Ｃの間で行われる。
【００７９】
前記工程Ｂおよび工程Ｂ’は、例えば、絶縁性微粒子を溶媒に分散させた微粒子分散液を調製する工程と、第１電極上に微粒子分散液を、電流阻止絶縁膜を、あるいは電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜を覆うようにを塗布する工程と、微粒子分散液の塗布膜を乾燥させる工程とを含む。
【００８０】
また、微粒子分散液を塗布する上記工程においては、スピンコート法により微粒子分散液を塗布する工程であってもよく、これによれば分散液の塗布が容易にできる。
【００８１】
前記工程Ｅは、例えば、真空蒸着によって行われる。成膜方法は、特にこれに限定されず、下層に影響がなく第２電極より厚い膜を成膜可能な方法が好ましい。
【００８２】
前記工程Ｄおよび工程Ｆは、接着剤としての導電性ペーストなどを用いて、金属パッドを第２電極、あるいは引き出し電極上に接着し、必要に応じて接着剤を熱硬化する工程を含んでもよい。
【００８３】
この電子放出素子の第１電極と第２電極の間に電圧を印加する電源部を備えることにより、適度な電圧（例えば１０〜２５Ｖ）の印加により十分な電子放出量が得られると共に、長時間でも安定して連続動作可能な電子放出装置が構成される。
【００８４】
さらに、この電子放出装置は、自発光デバイス、その自発光デバイスを備えた画像表示装置、被冷却体を冷却できるイオン風発生装置、帯電装置、その帯電装置を備えた画像形成装置等の主要部に用いられることができる。
【００８５】
前記自発光デバイスによれば、安定で長寿命な面発光を実現することができる。
【００８６】
また、前記イオン風発生装置によれば、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質の発生がなく、被冷却体表面でのスリップ効果を利用することにより、被冷却体表面を高効率で冷却することができる。
【００８７】
また、前記帯電装置によれば、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質を発生させることなく、長期間安定して被帯電体を帯電させることができる。
【００８８】
なお、電子放出装置を備えたこれらの装置は、複数の電子放出素子を含んでもよい。例えば、複数の電子放出素子が平面体上に配置されて、これらの装置に適用されてもよい。また、複数の電子放出素子において、第１電極を共通化してもよい。
【００８９】
以下、本発明の実施形態および実施例について、図面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。
〔実施形態１〕
図１は、本発明の電子放出素子の実施形態１の構成を示す模式図である。図１に示すように、実施形態１に係る電子放出素子９は、第１電極１と、第１電極１上に形成された電流阻止絶縁膜２および電子放出制御絶縁膜３と、第１電極１上に電流阻止絶縁膜２および電子放出制御絶縁膜３を覆うように形成された電子加速層４と、電子加速層４上に形成された炭素薄膜５と、炭素薄膜５上に形成された第２電極６と、第２電極６と少なくとも一部が重なるように形成された引き出し電極７と、引き出し電極７上に接着された金属パッド８とを備える。
【００９０】
上記電子放出制御絶縁膜３は、膜厚方向に貫通した複数の小孔３ａを有し、電子加速層４は、電子放出制御絶縁膜３の膜厚以上の膜厚を有すると共に、電子放出制御絶縁膜３の各小孔３ａ内に埋め込まれる絶縁性微粒子４ａを含んでいる。そして、電流阻止絶縁膜２は、第１電極１の表面を投影面として、引き出し電極７とその上に接着された金属パッド８が第１電極１の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域に設けられている。
【００９１】
また、この電子放出素子９と、電子放出素子９の第１電極１と第２電極６との間に電圧を印加する電源部１０とを備えることにより、電子放出装置１３が構成される。このとき、電源部１０のマイナス極に第１電極１が電気的に接続され、電源部１０のプラス極に第２電極６が、引き出し電極７および金属パッド８を介して電気的に接続される。
＜第１電極＞
第１電極１は、基板の機能を兼ねる電極基板であり、導体で形成された板状体で構成されている。第１電極１は、電子放出素子９の支持体として機能すると共に、電極として機能するため、ある程度の強度を有し、かつ適度な導電性を有するものであればよい。例えば、ステンレス（ＳＵＳ）、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ等の金属で形成された基板、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板を用いることができる。
【００９２】
また、第１電極１は、導電性膜で形成された電極が、ガラス基板またはプラスティック基板等の絶縁体基板上に形成された構造体であってもよい。
【００９３】
例えば、ガラス基板を用いる場合、電子加速層４との界面となるガラス基板の表面を、例えば、マグネトロンスパッタ等を用いて導電性膜で被覆し、導電性膜で被覆されたガラス基板を第１電極１として用いてもよい。
【００９４】
導電性膜の材料としては、大気中での安定動作を所望するのであれば、抗酸化力の高い導電性材料を用いることが好ましく、貴金属を用いることがより好ましい。また、導電性膜には、酸化物導電材料であり透明電極に広く利用されているＩＴＯも有用である。
【００９５】
また、絶縁体基板を被覆する導電性膜には、強靭さが要求されるため、複数の導電性膜を積層してもよい。
【００９６】
例えば、ガラス基板表面にＴｉ膜を膜厚２００ｎｍで形成し、その上にＣｕ膜を膜厚１０００ｎｍで形成した金属積層膜や、ガラス基板表面にＭｏ膜を膜厚３０ｎｍで形成し、その上にＡｌ膜を膜厚１３０ｎｍで形成し、その上にＭｏ膜を膜厚５０ｎｍで形成した金属積層膜を第１電極１として用いてもよいが、これら材料や数値に限定されることはない。Ｔｉ薄膜とＣｕ薄膜でガラス基板を被覆すると、強靭な導電性薄膜を形成できる。
【００９７】
なお、絶縁体基板の表面の導電性膜を、周知のフォトリソやマスクを用いて方形等にパターニングして電極を形成してもよい。
＜電流阻止絶縁膜＞
電流阻止絶縁膜２は、第１電極１上かつ、第１電極１の表面を投影面として、引き出し電極７とその上に接着された金属パッド８が第１電極１の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域（換言すると、金属パッド８、引き出し電極７を含む領域の真下）に形成された平坦な絶縁膜であり、金属パッド８の設置領域（金属パッド８の真下）に流れる電流を阻止する機能を有する。なお、電流阻止絶縁膜２の材料や膜厚等は、前記の通りである。
＜電子放出制御絶縁膜＞
電子放出制御絶縁膜３は、第１電極１上に形成された絶縁膜であり、複数の小孔３ａを有することにより、電子放出素子９の電子放出を面内で均一に制御する機能を有する。なお、電子放出制御絶縁膜３の材料や膜厚、小孔３ａのサイズ、形状および密度等は、前記の通りである。
【００９８】
電子放出制御絶縁膜３は、第１電極の表面を投影面として第２電極が第１電極の表面の法線方向に投影された領域を覆うように設けられる。
＜電子加速層＞
絶縁性微粒子４ａを含んでなる電子加速層（絶縁性微粒子層）４は、複数の小孔３ａを有する電子放出制御絶縁膜３上に形成され、第１電極１から第２電極２へ向かう電子を加速させる機能を有する。
【００９９】
電子加速層４は、半導電性を有する絶縁性微粒子４ａを主に有して構成されているため、電圧が印加されると、極弱い電流が流れる。電子加速層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電子加速層４内の強電界により弾道電子となり、第２電極６を透過して電子放出素子９の外部へ放出される。また、弾道電子は、絶縁性微粒子４ａによる電子加速層４の表面の凹凸の影響から生じる第２電極６の隙間（微細孔）をすり抜けて外部へ放出される場合もある。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推測される。
【０１００】
また、熱処理を行って絶縁性微粒子４ａを完全に溶解させ結晶化させると、電子加速層４は絶縁物となって電子を加速させる機能が失われるため、単に絶縁性微粒子４ａを材料として用いればよいのではなく、粒子形状を保った絶縁性微粒子４ａで電子加速層４が形成されている必要がある。
【０１０１】
例えば、電子放出素子９への印加電圧および電子放出制御絶縁膜３が前記条件の場合、電子加速層４の膜厚は８〜６０００ｎｍが好ましく、３０〜１０００ｎｍがさらに好ましい。
【０１０２】
電子加速層４の膜厚が８〜６０００ｎｍであれば、膜厚が均一な（表面が平滑な）電子加速層４を形成し易くなり、その結果、各小孔３ａに対応する部分の電子加速層４の電気抵抗の値が均一となり、電子放出素子９の全体に亘ってより一様に電子を放出することができる。
【０１０３】
電子放出素子９は、できるだけ低い電圧で強い電界を加えて電子を加速させることが好ましい。そのため、電子放出素子９への印加電圧や電子放出制御絶縁膜３の膜厚等にもよるが、電子加速層４の膜厚は、８〜６０００ｎｍの範囲のうちでもできるだけ薄いことが好ましい。
【０１０４】
絶縁性微粒子４ａとしては、ＳｉＯ２、ＺｎＯ等の半導体酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣｕＯ等の金属酸化物からなる絶縁性微粒子を用いることができる。また、これらの絶縁性微粒子を単独で、あるいは複数種類組み合わせて用いることができる。材料が異なる複数種類の絶縁性微粒子４ａを用いる場合、これら複数種類の絶縁性微粒子４ａが後述する数値範囲の粒径をもつ粒子であればよい。
【０１０５】
また、複数種類の絶縁性微粒子４ａが分散液に分散され、分散液が電子放出制御絶縁膜３上に塗布されて電子加速層４を形成する場合、絶縁性微粒子４ａの選定は分散液中の粒子の分散性を考慮することが望ましい。
【０１０６】
絶縁性微粒子４ａの粒径は、電子放出制御絶縁膜３の膜厚および小孔３ａのサイズが前記条件の場合、５〜１０００ｎｍが好ましい。絶縁性微粒子４ａの粒径が５ｎｍより小さいと、粒径のばらつきを小さくすることが難しいため、均一な膜厚の電子加速層４を形成することが難しい。一方、粒径が１０００ｎｍより大きいと、絶縁性微粒子４ａの分散液を塗布して電子加速層４を形成する場合に、分散液中に絶縁性微粒子４ａが沈降して分散性が悪くなり、その結果、分散液の塗布膜において絶縁性微粒子４ａの多い箇所と少ない箇所が生じ易くなり、均一な膜厚の電子加速層４を形成することが難しい。なお、本発明において、「粒径」とは平均一次粒径を意味し、粒子径はレーザー回折法にて測定した。
【０１０７】
電子加速層４には、絶縁性微粒子４ａの粒径よりも小さい粒径を有する導電性微粒子が含まれていてもよい。電子加速層４に導電性微粒子を添加することによって、電子加速層４を流れる電流値電子放出量を制御することができる。換言すると、電子加速層４中の絶縁性微粒子４ａの含有量を調整して、電子加速層４の電気抵抗の値を任意の範囲に調整できる。
【０１０８】
導電性微粒子としては、特に限定されないが、例えば、金、銀、白金、パラジウムおよびニッケルからなる導電性粒子のうち少なくとも１種を含んでいてもよい。なお、導電性微粒子の粒径が絶縁性微粒子の粒径と同等以上であると、電子加速層４が必要とする絶縁性が得られなくなるため、導電性微粒子の粒径は絶縁性微粒子の粒径よりも小さい必要がある。
【０１０９】
さらに、電子加速層４には、バインダー成分として少量のシリコーン樹脂が含まれていてもよい。電子加速層４がシリコーン樹脂を含むことで、電子放出素子９の機械的強度を向上することができると共に、大気中の酸素および水分などによる素子劣化を防ぐことができ、長寿命化をより効果的に図ることができる。
【０１１０】
また、必要に応じて電子加速層４に分散剤等の添加剤が含まれていてもよい。
【０１１１】
また、電子加速層４は、材料が異なる２層以上の積層構造になっていてもよい。例えば、１層目が実質的な電子加速層、２層目が機械的強度アップ、防湿度効果、膜表面の平坦化を目的とする保護層といった積層構造を採用することができる。
＜炭素薄膜＞
炭素薄膜５は、第２電極６と電子加速層４の間の抵抗体として機能する。前記のように電子放出制御絶縁膜３には複数の小孔３ａが設けられているため、この電子放出素子９をエージング試験（例えば、長時間にわたる連続動作試験）にかけると、各小孔３ａ部分に電界が集中した状態が続くことになり、この電子放出素子９は局所的な電圧・電流ストレスに連続的にさらされる。
【０１１２】
大きい電圧・電流ストレスが長時間続くと、電子放出制御絶縁膜３の小孔３ａ周辺部分に欠陥が生じる場合があり、欠陥数が増加すると電流のパスが生じて絶縁破壊につながる。
【０１１３】
抵抗体としての炭素薄膜５は、例えば、金、銀等からなる第２電極６と比較して電気的に高抵抗であるため、電子放出素子９がかかる局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスが緩和されることになり、この結果、欠陥が生じ難く、絶縁破壊が生じ難くなる。
【０１１４】
この炭素薄膜の材料としては、例えば、グラファイトが好適である。
【０１１５】
また、炭素薄膜５の膜厚は、印加電圧、電子放出制御絶縁膜３の膜厚、小孔３ａのサイズおよび密度、第２電極６の材質等の条件にもよるが、前記条件の場合は５〜２０ｎｍが好ましい。炭素薄膜の膜厚が５ｎｍより薄いと炭素薄膜が抵抗体として機能するには十分でなく、一方、膜厚が２０ｎｍより厚いと電子放出に必要な電圧が大きくなり過ぎて好ましくない。
＜第２電極＞
第２電極６は、第１電極１と対の電極を構成し、第１電極１と共に電子加速層４内に電圧を印加させるための電極であるため、電極として機能する程度の導電性を有する材料にて形成されればよい。
【０１１６】
しかしながら、第２電極６は、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することが好ましいため、仕事関数が低くかつ薄膜で形成することが可能な導電性材料で形成されることが好ましい。
【０１１７】
このような材料としては、例えば、仕事関数が４〜５ｅＶに該当する金、銀、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。
【０１１８】
第２電極６の膜厚は、電子放出素子９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、この観点から１０〜５５ｎｍが好ましい。第２電極６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、これより薄い膜厚では電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子９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、これより厚い膜厚では弾道電子の透過が起こらず、第２電極６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。
＜引き出し電極＞
引き出し電極７は、第２電極６と少なくとも一部が重なるように形成され、第２電極６を引き出し、金属パッド８を設置するための電極である。金属パッド８を接着できる程度の厚みと金属パッド８以上の大きさがあればよい。また、電極として機能する導電性に優れた材料にて形成されればよい。
＜金属パッド＞
金属パッド８は、第１電極１と共に電子加速層４内に電圧を印加させるための電極であり、厚みのある金属片である。金属パッド８を設けたことで、ボンディングワイヤは金属パッド８にボンディングされることとなり、ボンディングの圧力や振動などの衝撃は金属パッド８に吸収されて、電子加速層４に伝わるのを防ぐことができる。
【０１１９】
また、金属パッド８の表面は平坦であるので、ボンディングワイヤとの接触面積が増え、ボンディングの密着性を高めることが可能である。つまり、絶縁性微粒子４ａによる微小な凹凸のある素子表面を平坦化することができる。なお、金属パッド８の材料、膜厚、形状等は、前記の通りである。
＜製造方法＞
次に、図１を参照しながら実施形態１に係る電子放出素子９の製造方法について説明する。
【０１２０】
前記のように構成された電子放出素子９は、上層において金属パッドが設置される、第１電極上の領域に、平坦な電流阻止絶縁膜を形成すると共に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する電子放出制御絶縁膜を形成する工程と、第１電極上に、電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜を覆うように絶縁性微粒子を含む電子加速層を形成する工程と、前記電子加速層上に第２電極を形成する工程と、電子加速層上における下層に電流阻止絶縁膜が形成されている領域に、第２電極と少なくとも一部重なるように引き出し電極を形成する形成する工程と、引き出し電極上に金属パッドを接着する工程とを含む電子放出素子の製造方法により製造される。
【０１２１】
具体的に説明すると、電流阻止絶縁膜２および電子放出制御絶縁膜３の形成工程において、まず、絶縁体材料としてのアクリル系樹脂を溶剤に溶かした塗液を第１電極１上にスピンコート法で塗布して塗布膜を形成し、塗布膜を加熱乾燥する。その後、フォトリソグラフィーによって、乾燥した塗布膜（絶縁膜）に複数の小孔３ａを形成すると共に、電子放出制御絶縁膜３と電流阻止絶縁膜２とをパターニングし、複数の小孔３ａを有する電子放出制御絶縁膜３と、エッチング処理をしない平坦な電流阻止絶縁膜２とを形成する。
【０１２２】
絶縁体材料は、アクリル系樹脂以外にも、例えば、シリコーン樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリスチレン系樹脂などの有機ポリマーが挙げられる。また、これらの有機ポリマーは、１種または２種以上を混合して用いてもよい。
【０１２３】
また、絶縁体材料は、有機ポリマー以外にも、シリコン酸化物やシリコン窒化物などの無機材料を用いて、例えば、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等によって電子放出制御絶縁膜３を形成してもよい。
【０１２４】
また、小孔３ａの方法として、電子ビームリソグラフィ、プラズマエッチング、インクジェット等を用いてもよく、これらの方法に限定されるものではない。
【０１２５】
次に、電子加速層４の形成工程において、まず、溶剤に絶縁性微粒子４ａが分散された絶縁性微粒子分散液を調製する。このとき、絶縁性微粒子分散液に導電性微粒子やバインダー成分を混合してもよい。
【０１２６】
絶縁性微粒子分散液に用いる溶剤としては、バインダー成分を溶解でき、かつ絶縁性微粒子４ａや導電性微粒子を分散でき、かつ塗布後に乾燥することができれば、特に制限はなく、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。
【０１２７】
絶縁性微粒子分散液における絶縁性微粒子４ａの濃度は１０〜５０重量％が好ましい。１０重量％より低濃度であれば、電子放出制御絶縁膜３の小孔３ａ内に絶縁性微粒子４ａを満充填し難く、５０重量％より高濃度であれば、絶縁性微粒子分散液の粘度が上昇すると共に、凝集が生じるため、薄膜化した電子加速層４を形成することができない。
【０１２８】
次に、絶縁性微粒子分散液を第１電極１上にスピンコート法にて塗布する。スピンコート条件は、特に限定されないが、絶縁性微粒子分散液の塗布膜を有する第１電極１を、例えば、スピン回転数５００ｒｐｍで１秒間回転させた後、スピン回転数３０００ｒｐｍで１０秒間回転させる。
【０１２９】
第１電極１上の塗布膜の塗布量は特に限定されないが、例えば、２４ｍｍ角の第１電極１に塗布する場合、０．２ｍＬ／ｃｍ２以上であればよい。スピンコート法を用いることで、上記絶縁性微粒子４ａや導電性微粒子を簡便に広範囲に塗布することができる。
【０１３０】
続いて、第１電極１上の塗布膜を乾燥させることにより、電子加速層４を形成する。なお、電子加速層４が所望の膜厚となるまで、塗布および乾燥を繰り返してもよい。
【０１３１】
次に、炭素薄膜５の形成工程において、例えば、蒸着法、マグネトロンスパッタ法等を用いて、電子加速層４上に炭素薄膜５を形成する。
【０１３２】
続いて、第２電極６および引き出し電極７の形成工程において、例えば、マグネトロンスパッタ法、インクジェット法、スピンコート法、蒸着法等を用いて、炭素薄膜５上に第２電極６を形成し、さらに第２電極６上に引き出し電極７を形成する。
【０１３３】
最後に、金属パッド８の形成工程において、例えば、導電性ペーストを接着剤として用いて、引き出し電極７上に金属パッド８を熱硬化により接着することにより、電子放出素子９が完成する。
【０１３４】
そして、この電子放出素子９の第１電極１と金属パッド８に、リード線を介して電源部１０の負極と正極を電気的に接続することにより、電子放出装置１３が完成する。
この電源部１０としては、１０〜４５Ｖの電圧を印加可能な電源を用いることができる。
〔実施形態２〕
図２は実施形態１の電子放出素子９を用いた帯電装置の一例を示す模式図である。なお、図２において、図１中の要素と同様の要素には同一の符号を付している。
【０１３５】
この帯電装置９０は、電子放出素子９と、これに電圧を印加する電源部１０とを有する電子放出装置１３から成り、電子写真方式の画像形成装置に備えられた感光体Ｐを帯電させるものである。
【０１３６】
帯電装置９０を構成する電子放出素子９は、被帯電体である感光体Ｐに対向して設置され、電圧が印加されることにより電子を放出させ、感光体Ｐを帯電させる。なお、この実施形態で説明される画像形成装置において、帯電装置９０以外の構成部材は、従来公知のものを用いることができる。
【０１３７】
ここで、帯電装置９０として用いる電子放出素子９は、感光体Ｐから、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置されることが好ましい。また、電子放出素子９への印加電圧は２５Ｖ程度が好ましく、電子放出素子９における電子加速層４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構成されていればよい。
【０１３８】
帯電装置９０として用いられる電子放出装置１３は、大気中で動作しても放電を伴わず、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Ｐやベルトなどを酸化し劣化させてしまう。
【０１３９】
このような帯電装置９０を画像形成装置が有することで、このような問題は生じない。
また、この電子放出素子９は電子放出量が向上しているため、帯電装置９０によって感光体Ｐを効率よく帯電することができる。
【０１４０】
さらに、この電子放出素子９が同一基板に複数形成された電子放出装置１３を帯電装置９０として用いることにより、帯電装置９０は面電子源として構成されるので、感光体Ｐの回転方向へも幅を持って帯電することができ、感光体Ｐのある箇所への帯電機会を多く稼ぐことができる。
【０１４１】
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。
〔実施形態３〕
図３は実施形態１の電子放出素子９を用いた実施形態３−１の自発光デバイスを示す模式図であり、図４は実施形態１の電子放出素子９を用いた実施形態３−２の自発光デバイスを示す模式図であり、図５は別の電子放出素子を用いた実施形態３−３の自発光デバイスを示す模式図であり、図６は実施形態３−３の自発光デバイスを用いた実施形態３−４の画像表示装置を示す模式図である。なお、図３〜図６において、図１中の要素と同様の要素には同一の符号を付している。
【０１４２】
図３（実施形態３−１）に示す自発光デバイス３１は、電子放出素子９およびこれに電圧を印加する電源部１０とを有する電子放出装置１３と、電子放出素子９と離れて対向状に配置される発光部３６とを備える。
【０１４３】
発光部３６は、基材となるガラス基板３４上にＩＴＯ膜３３と蛍光体層３２がこの順に積層された積層構造を有し、蛍光体層３２が電子放出素子９の第２電極６と対面している。ＩＴＯ膜３３の膜厚は、導電性を確保できる膜厚であればよく、例えば、１００〜３００ｎｍとすることができ、本実施形態では１５０ｎｍとした。
【０１４４】
蛍光体層３２としては、赤、緑、青色発光に対応した電子励起タイプの蛍光体材料が適しており、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＋等を用いることができる。蛍光体層３２の厚さ１μｍ程度が好ましい。
【０１４５】
蛍光体層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蛍光体微粒子との混練物を用い、バーコーター法、滴下法、スピンコート法等の公知技術によって形成することができる。
【０１４６】
このとき、所望の発光色が得られるよう、赤、緑および青色の蛍光体微粒子の内から１色以上の蛍光体微粒子を適切な重量混合比で選択する。例えば、白い発光色が得られるようにするのであれば、赤、緑および青色の蛍光体微粒子を重量混合比１：１：１で混合した混練物を用いる。
【０１４７】
ここで、蛍光体層３２の発光輝度を上げるには、電子放出素子９から放出された電子を蛍光体層３２へ向けて加速する必要があり、その場合は、電子放出素子９の第１電極１とＩＴＯ膜３３の間に、電子を加速する電界を形成するための直流電圧印加用の第２電源部３５を設けることが好ましい。
【０１４８】
このとき、蛍光体層３２と電子放出素子９との距離が０．３〜１ｍｍ、電源部１０からの印加電圧が１８Ｖ、第２電源部３５からの印加電圧が５００〜２０００Ｖに設定することが好ましい。
【０１４９】
図４（実施形態３−２）に示す自発光デバイス１３１は、電子放出素子９およびこれに電圧を印加する電源部１０を有する電子放出装置１３と、電子放出素子９上に形成された蛍光体層１３２とを備えている。
【０１５０】
蛍光体層１３２は、実施形態３−１と同様の方法で電子放出素子９の第２電極６上に形成することができる。但し、電子放出素子９は外力に対して弱く、バーコーター法を用いると電子放出素子９が壊れるおそれがあるため、滴下法またはスピンコート法を用いるのが好ましい。
【０１５１】
図５（実施形態３−３）に示す自発光デバイス２３１は、前記とは異なる電子放出素子２９およびこれに電圧を印加する電源部１０を有する電子放出装置２１０である。電子放出素子２９と電子放出素子９との違いは、電子加速層にある。
【０１５２】
この電子放出素子２９の電子加速層２３は、前記絶縁性微粒子４ａと蛍光体微粒子（符号省略）を混合した材料を用いた材料から形成されている。電子加速層４と電子加速層２３との違いは、蛍光体微粒子を含むかどかの違いである。
【０１５３】
蛍光体微粒子は、一般的に電気抵抗が低く、絶縁性微粒子４ａと比べても明らかに電気抵抗は低い。よって、蛍光体微粒子を用いる場合、絶縁性微粒子４ａに対する蛍光体微粒子の混合量を少量に抑える必要がある。例えば、絶縁性微粒子４ａとして球状シリカ粒子（粒径１１０ｎｍ）、蛍光体微粒子としてＺｎＳ：Ｍｇ（粒径５００ｎｍ）を用いた場合、それらの重量混合比は３：１程度が適切となる。
【０１５４】
この場合、蛍光体微粒子全量中、所望の発光色が得られるよう、赤、緑および青色の蛍光体微粒子の内から１色以上の蛍光体微粒子を適切な重量混合比で選択する。
【０１５５】
実施形態３−１の自発光デバイス３１の場合、電子放出素子９から外部へ放出した電子が、発光部３６の蛍光体層３２に衝突することにより、蛍光体層３２が発光する。
【０１５６】
実施形態３−２の自発光デバイス１３１の場合、電子放出素子９から蛍光体層１３２に電子が入射して衝突することにより、蛍光体層１３２が発光する。
【０１５７】
実施形態３−３の自発光デバイス２３１の場合、第１電極１からの電子が電子加速層２３を通過する際に、電子が蛍光体微粒子と衝突することにより、電子放出素子２９が発光する。
【０１５８】
これらの電子放出素子９、２９は電子放出量が向上しているため、自発光デバイス３１、１３１、２３１は効率よく発光することができる。なお、自発光デバイス３１、１３１、２３１は、大気中で動作可能であるが、真空封止することにより電子放出電流が上昇し、より効率よく発光することができる。
【０１５９】
図６（実施形態３−４）に示す画像表示装置３４０は、図５で示した自発光デバイス２３１と、液晶パネル３３０とを備えている。この画像表示装置３４０において、自発光デバイス２３１は液晶パネル３３０の後方に配置されてバックライトとして用いられる。したがって、この場合、自発光デバイス２３１は白い発光色が得られるよう、電子加速層２３中には赤、緑および青の蛍光体微粒子が重量混合比１：１：１で分散している。
【０１６０】
また、この場合、例えば、自発光デバイス２３１が単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子を放出するよう、自発光デバイス２３１への印加電圧を２０〜３５Ｖに設定することが好ましく、自発光デバイス２３１と液晶パネル３３０との距離は、０．１ｍｍ程度が好ましい。
【０１６１】
なお、液晶パネル３３０は従来公知のもの、例えば、バックライト側から、偏光板、ガラス基板、透明電極、配向膜、液晶、配向膜、透明電極、保護膜、カラーフィルター、ガラス基板および偏光板が積層されたパネル構造を用いることができる。
【０１６２】
また、図示しない実施形態３−５の画像表示装置として、図３（実施形態３−１）で説明した自発光デバイス３１をマトリックス状に配置して、自発光デバイス３１そのものによる電界放出ディスプレイ(ＦＥＤ: Field Emission Display）として画像を表示させることもできる。この場合、例えば、自発光デバイス３１が単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子を放出するよう、自発光デバイス３１への印加電圧を２０〜３５Ｖに設定することが好ましい。
〔実施形態４〕
図７は実施形態１の電子放出素子９を用いた実施形態４−１のイオン風発生装置を示す模式図であり、図８は実施形態１の電子放出素子９を用いた実施形態４−２のイオン風発生装置を示す模式図である。なお、図７および図８において、図１中の要素と同様の要素には同一の符号を付している。
【０１６３】
図７（実施形態４−１）のイオン風発生装置１５０は、電子放出素子９およびこれに電圧を印加する電源部１０を有する電子放出装置１３からなる。このイオン風発生装置１５０は、その電子放出素子９が被冷却体Ｑに対して傾斜状に対向するように配置され、電子放出素子９が電気的に接地された被冷却体Ｑ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Ｑを冷却する。
【０１６４】
つまり、従来、ファンのみで被冷却体Ｑの表面に風を送っても、その表面に最も近い空気分子は留まって動かないという所謂「ノースリップ効果」が発生するため、被冷却体Ｑの表面の冷却効果が低かった。
【０１６５】
実施形態４−１のイオン風発生装置１５０によれば、電子放出素子９からの電子が空気分子と衝突してイオンを生じ、更にこのイオンが周りの空気分子に衝突することによって空気分子やイオンが移動する。このことで「イオン風」が発生する。このとき、イオンは電位差もしくは電界によって被冷却体Ｑの表面まで運ばれ、被冷却体Ｑとの間に働く電界（鏡像力）により、熱い分子と冷たいイオンが交換するため、被冷却体Ｑの表面が冷却される。
【０１６６】
この場合、例えば、イオン風発生装置１５０が単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子を放出するように、電子放出素子９に印加する電圧を１８Ｖ程度に設定することが好ましい。なお、被冷却体Ｑとしては、例えば、半導体、コンピューターのCPU、LEDなどの電子部品やそれらを搭載した装置等が挙げられる。
【０１６７】
図８（実施形態４−２）のイオン風発生装置１６０は、電子放出素子９およびこれに電圧を印加する電源部１０を有する電子放出装置１３と、電子放出素子９の周囲に回転可能に設けられた送風ファン４２とを備えている。
このイオン風発生装置１６０も、その電子放出素子９が被冷却体Ｑに対して傾斜状に対向するように配置され、電子放出素子９が電気的に接地された被冷却体Ｑ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Ｑに向かって送風することにより、イオン風およびエアー流を発生させて被冷却体Ｑを冷却する。
【０１６８】
このとき、イオン風に加えてエアー流が生じるため、被冷却体Ｑの表面近傍の雰囲気（空気）を効率よく入れ替えることができ、イオン風とエアー流との相乗効果により冷却効率が格段に向上する。
【０１６９】
この場合、例えば、イオン風発生装置１６０が単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子を放出するように、電子放出素子９に印加する電圧を１８Ｖ程度に設定すると共に、送風ファン４２による風量を０．９〜２Ｌ／分／ｃｍ２に設定することが好ましい。
〔他の実施形態〕
実施形態１〜４では、電子加速層４の膜厚が電子放出制御絶縁膜３の膜厚よりも厚い場合を例示したが、電子加速層４の膜厚が電子放出制御絶縁膜３の膜厚と同等あるいは薄くてもよい（図示省略）。
【０１７０】
前者の場合、電子放出制御絶縁膜３の表面上およびその各小孔３ａ内に充填された電子加速層４の表面上に炭素薄膜５および第２電極６が形成される。
【０１７１】
後者の場合、電子加速層４の表面が電子放出制御絶縁膜３の表面よりも凹状に低くなっているため、電子放出制御絶縁膜３の表面上およびその各小孔３ａ内の電子加速層４の表面上に炭素薄膜５および第２電極６が形成されると、第２電極６における各電子加速層４に対応する位置には凹部が形成される。
【０１７２】
また、引き出し電極７が設けられ、その上に金属パッド８が接着された構成を例示したが、図９に示す電子放出素子９ｘのように、第２電極６に、引き出し電極７に替わる引き出し部が形成されており、これに金属パッド８が接着されている構成でもよい。この場合は、上記電流阻止絶縁膜２は、第１電極１の表面に対して金属パッド８および引き出し電極７を投影した第２投影領域を覆うように設けられており、第２投影領域に設けられる。
【０１７３】
また、図１０に示す電子放出素子９ｙのように、炭素薄膜５が設けられていない構成や、図１１に示す電子放出素子９ｚのように、電子放出制御絶縁膜３および炭素薄膜５が設けられていない構成であってもよい。
【実施例】
【０１７４】
以下の実施例では、本発明に係る電子放出素子を用いて電流測定した実験について説明する。なお、この実施例は一例であって、本発明の内容を制限するものではない。
【０１７５】
まず、実施例１の電子放出素子および比較例１の電子放出素子を以下のように作製した。
【０１７６】
まず、実施例１の電子放出素子と比較例１の電子放出素子を以下のように作製した。そして、作製した電子放出素子について、図１２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１２の実験系では、電子放出素子９の第２電極６側に、絶縁体スペーサー１２を挟んで対向電極１１を配置させる。そして、電子放出素子９および対向電極１１は、それぞれ、電源部１０Ａ，１０Ｂに接続されており、電子放出素子９にはＶ１の電圧、対向電極１１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。本実験では、電子放出素子と対向電極との距離は５ｍｍとした。また、対抗電極への印加電圧Ｖ２＝１００Ｖとした。
（実施例１）
第１電極１として２４ｍｍ×２４ｍｍ角のＭＡＭ（Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ）ガラス基板を用い、第１電極１上にアクリル系樹脂からなる、膜厚２．５μｍの電流阻止絶縁膜２および電子放出制御絶縁膜３および形成した。電子放出制御絶縁膜３に形成した小孔３ａのサイズは６０μｍで、総面積は０．０１ｃｍ２である。
【０１７７】
また、５ｍＬの試薬瓶に、溶媒であるヘキサン１．５ｇと、絶縁性微粒子４ａとして粒径５０ｎｍの球状シリカ粒子０．２５ｇとを投入し、超音波分散器を用いて試薬瓶中の微粒子を分散して絶縁性微粒子分散液を調製した。そして、得られた絶縁性微粒子分散液に、銀ナノ粒子（応用ナノ粒子研究所製、銀微粒子の粒径１０ｎｍ）０．０６ｇを投入し、超音波分散器を用いて試薬瓶中の微粒子を分散して絶縁性微粒子と銀ナノ粒子の分散液を調製した。
【０１７８】
さらに、得られた絶縁性微粒子と銀ナノ粒子の分散液に、シリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＲ２４１１）０．０８７５ｇを投入し、超音波分散器を用いて試薬瓶中の微粒子を分散して絶縁性微粒子と銀ナノ粒子とシリコーン樹脂の分散液Ａを調製した。
【０１７９】
次に、電流阻止絶縁膜２と電子放出制御絶縁膜３上に分散液Ａを滴下し、５００ｒｐｍで１秒間、続いて３０００ｒｐｍで１０秒間の条件で２段階のスピンコートを行って、絶縁性微粒子と導電性微粒子とを含む塗布膜を形成し、この塗布膜をホットプレートを用いて１５０℃で６０秒間乾燥することにより、膜厚１．０μｍの電子加速層Ｉを形成した。この操作を６回繰り返し、電子加速層Ｉ〜ＶＩが積層された膜厚５．６μｍの電子加速層４を形成した。
【０１８０】
続いて、真空蒸着装置を用いて、電子加速層４上に、グラファイトを材料とする膜厚１０ｎｍの炭素薄膜５を成膜した。
【０１８１】
その後、マグネトロンスパッタ装置を用いて、炭素薄膜５上に、Ａｕ−Ｐｄを材料とする膜厚４０ｎｍ、面積は０．１６ｃｍ２の第２電極６を形成した。さらに、真空蒸着装置を用いて、下層に電流阻止絶縁膜２が形成されている電子加速層４上であって、第２電極６上に少なくとも一部が重なるように、膜厚６２０ｎｍにて引き出し電極７を形成し、引き出し電極７上に金を材料とする厚み２００μｍ、１ｍｍ角の金属パッド８を、京セラケミカル株式会社製、導電ペーストCT２２３を介して接着し、電子炉を用いて１５０℃で１時間加熱硬化させることにより、実施例１の電子放出素子９を得た。
【０１８２】
この実施例１の電子放出素子９を１×１０−８ＡＴＭの真空容器中に設置した。実施例１の電子放出素子を用いた、エージング結果を図１３に示す。印加電圧Ｖ１＝４０Ｖにて１００時間、連続して安定な電子放出が得られた。単位面積当たりの電子放出電流は、１．４×１０−６Ａ／ｃｍ２前後であった。
（比較例１）
第１電極１として２４ｍｍ×２４ｍｍ角のＭＡＭ（Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ）ガラス基板を用い、第１電極１上に電流阻止絶縁膜２を形成しないことを除いては、実施例１と同様にして、電子放出制御絶縁膜３、電子加速層４を形成した。
【０１８３】
続いて、真空蒸着装置を用いて、電子加速層４上に、グラファイトを材料とする膜厚１０ｎｍの炭素薄膜５を成膜した。
【０１８４】
その後、マグネトロンスパッタ装置を用いて、炭素薄膜５上に、Ａｕ−Ｐｄを材料とする膜厚４０ｎｍ、面積は０．１６ｃｍ２の第２電極６を形成した。さらに、真空蒸着装置を用いて、下層に電流阻止絶縁膜２が形成されていない電子加速層４上であって、第２電極６上に少なくとも一部が重なるように、膜厚６２０ｎｍにて引き出し電極７を形成し、引き出し電極７上に金を材料とする厚み２００μｍ、１ｍｍ角の金属パッド８を、京セラケミカル株式会社製、導電ペーストCT２２３を介して接着し、電子炉を用いて１５０℃で１時間加熱硬化させることにより、比較例１の電子放出素子を得た。
【０１８５】
この比較例１の電子放出素子を１×１０−８ＡＴＭの真空容器中に設置した。比較例１の電子放出素子の初期電気特性測定結果を図１４に示す。図１４は、印加電圧Ｖ１を変化させた際の電子放出電流と素子内電流との変化を示すグラフである。印加電圧Ｖ１＝３．０Ｖ程度で素子内電流が測定リミットの１．０Ａ／ｃｍ２に達するまで流れてしまい、電子放出が得られなかった。
【０１８６】
実施例１および比較例１の結果から、電流阻止絶縁膜２がない場合、金属パッド直下に電流が集中しやすく、素子活性領域に電流が流れないため電子放出が得られないが、電流阻止絶縁膜２を設けることによって、長時間連続して安定した電子放出が得られることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【０１８７】
本発明に係る電子放出素子は、適度な電圧の印加により十分な電子放出量が得られると共に、長時間連続して動作す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、あるいは発光体と組み合わせることによる画像表示装置、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るイオン風発生装置等に、好適に適用することができる。
【符号の説明】
【０１８８】
１ 第１電極
２ 電流阻止絶縁膜
３ 電子放出制御絶縁膜
３ａ 小孔
４、２３ 電子加速層
４ａ 絶縁性微粒子
５ 炭素薄膜
６ 第２電極
７ 引き出し電極７
８ 金属パッド
１０ 電源部
９、９ｘ、９ｙ、９ｚ、２９ 電子放出素子
１１ 対向電極
１２ スペーサー
１３、２１０ 電子放出装置
３１、１３１、２３１ 自発光デバイス
３２、１３２ 蛍光体層
３３ ＩＴＯ膜
３４ ガラス基板
３５ 第２電源部
３６ 発光部
４２ 送風ファン
９０ 帯電装置
１５０、１６０ イオン風発生装置
３３０ 液晶パネル
Ｐ 感光体
３４０ 画像表示装置
Ｑ 被冷却体
【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およびそれを備えた電子放出装置、並びに電子放出装置を備えた各種装置に関する。
【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）型電極等で構成された電子放出素子が知られている。この電子放出素子は、例えば、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）の分野への応用が検討されており、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を放出することができる。
【０００３】
しかしながら、これら２つのタイプの電子放出素子は、電子放出部の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容易に電離する。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。
【０００４】
また、大気中の酸素は電離エネルギーよりも解離エネルギーの方が低いため、イオンの発生よりも先にオゾンが発生する。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。
【０００５】
このような背景から、前記とは別のタイプの電子放出素子として、ＭＩＭ（Metal Insulator Metal）型とＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）型の電子放出素子が開発されている。
【０００６】
これらは、素子内部の量子サイズ効果および強電界を利用して電子を加速し、平面状の素子表面から電子を放出させる面放出型の電子放出素子である。これらの電子放出素子は、素子内部の電子加速層で加速した電子を放出するため、素子外部に強電界を必要としない。
【０００７】
したがって、ＭＩＭ型およびＭＩＳ型の電子放出素子は、前記スピント型、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。
【０００８】
ところで、ＭＩＭ型およびＭＩＳ型の電子放出素子は、一般にピンホールや絶縁破壊等が生じやすい。そのため、これらの電子放出素子には、微粒子を有する絶縁膜を用いてピンホールや絶縁破壊等の発生を防止することが知られている。
【０００９】
例えば、特許文献１には、相対向する２枚の電極の間に微粒子を含む絶縁体を設けたＭＩＭ型の電子放出素子が記載されている。
【００１０】
また、特許文献２には、基板と、炭素系電子放出材料（例えば、カーボンナノチューブ）で構成された基板上の電子放出部と、電子放出部よりも厚く基板上に形成された絶縁膜と、電子放出部と対向するよう絶縁膜上に形成されて電子放出部から電子を引き出すための電子引き出し電極とを備え、上記絶縁膜が、絶縁粒子からなる粉体層と、この粉体層を覆うように形成された酸化物絶縁体とからなる固定層とから構成さされている電子放出素子が記載されている。
【００１１】
さらに、特許文献３には、電極基板と薄膜電極との間に、絶縁体微粒子を含む微粒子層からなる電子加速層を有する電子放出素子が記載されている。この電子放出素子は、電極基板と薄膜電極とを有し、当該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することで、当該電極基板と薄膜電極との間で電子を加速させて、当該薄膜電極から当該電子を放出させる電子放出素子であり、電極基板と薄膜電極との間に、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、該導電微粒子より大きい絶縁体微粒子とからなる電子加速層が設けられた構成の電子放出素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１−２９８６２３号公報
【特許文献２】特開２０００−３１１６４０号公報
【特許文献３】特開２００９−１４６８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、上記微粒子層からなる絶縁膜や電子加速層を有する電子放出素子においては、これを、ボンディング等で実装する場合に、ボンディングの圧力や振動などの衝撃によって微粒子層が損傷を受けやすいといった問題がある。
【００１４】
また、微粒子層を有する電子放出素子の素子表面には、微粒子から構成されるために微粒子による微小な凹凸が存在する。素子表面に凹凸があると、ボンディングワイヤと素子表面の電極との接触面積が小さくなり、ボンディングの密着性が低くなるといった問題もある。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、微粒子層を有する電子放出素子において、電子放出素子としての機能低下を引き起こすことなく実装に適した構成として、長時間連続して安定した電子放出が得られる電子放出素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このような課題を解決する手法として、本願発明者らは、電極基板と薄膜電極との間に、絶縁体微粒子を含む微粒子層からなる電子加速層を有する電子放出素子において、素子表面の薄膜電極上に、１００〜５００μｍの厚みを有する、表面形状が平坦な金属片をボンディングパッド（以下金属パッドとする）として設けることを試みた。
【００１７】
金属パッドを設けたことで、ボンディングワイヤは金属パッドにボンディングされることとなり、ボンディングの圧力や振動などの衝撃は金属パッドに吸収されて、微粒子層（電子加速層）に伝わるのを防ぐことができる。
【００１８】
また、金属パッドの表面は平坦であるので、ボンディングワイヤとの接触面積が増え、ボンディングの密着性を高めることが可能である。つまり、つまり、絶縁性微粒子４ａによる微小な凹凸のある素子表面を平坦化することができる。
【００１９】
ところが、金属パッドを設けた電子放出素子では、電極基板から薄膜電極へと電流が流れるにあたり、金属パッドを設置した領域において大電流が流れやすいことがわかった。特に、電子放出素子を長時間連続して動作させた場合には、金属パッドの設置領域に電流が集中してしまい、やがて素子活性領域に電流が行き渡らなくなってしまうとともに、素子が絶縁破壊してしまうという問題も発生した。
【００２０】
つまり、実装に適した構成とはなったものの、長時間連続して安定した電子放出を行うといった電子放出素子としての本来の機能が低下することとなった。
【００２１】
そこで、本願発明者らは、上記目的を達成するべく、さらなる鋭意検討を行い、本願発明を行うに至った。
【００２２】
本発明の第１の電子放出素子は、第１電極、絶縁性微粒子を含む電子加速層、および第２電極が順次積層され、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、前記第１電極から放出される電子を前記電子加速層において加速させて前記第２電極から外部へ放出させる電子放出素子において、前記第２電極上に接着された金属パッドと、前記第１電極の表面を投影面として前記金属パッドが前記第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第１投影領域を覆うように前記第１電極上に設けられた、前記第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜と、を備えることを特徴としている。
【００２３】
まずは、上記構成における電子放出のメカニズムを説明する。第１電極と第２電極との間に電圧が印加されると、第１電極から、第１電極と第２電極との間における電子加速層中の絶縁性微粒子の表面に電子が移る。絶縁性微粒子の内部は高抵抗であるため、電子は絶縁性微粒子の表面を伝導していく。このとき、絶縁性微粒子の表面の不純物、絶縁性微粒子が酸化物である場合の酸素欠陥、あるいは絶縁性微粒子間の接点で、電子がトラップされる。このトラップされた電子は固定化された電荷として働く。その結果、電子加速層の表面では、印加電圧と、トラップされた電子が作る電界とが合わさって強電界が発生し、その強電界によって電子が加速され、第２電極から電子が放出される。
【００２４】
上記構成によれば、第２電極上に金属パッドが接着されている。これにより、ボンディングワイヤはこの金属パッドにボンディングされることとなり、ボンディングの圧力や振動などの衝撃は金属パッドに吸収されて、絶縁性微粒子層を含む微粒子層である電子加速層に伝わるのを防ぐことができる。また、金属パッドの表面は平坦であるので、ボンディングワイヤとの接触面積が増え、ボンディングの密着性を高めることが可能である。
【００２５】
しかも、第１電極上には、第１電極の表面に対して金属パッドを投影した第１投影領域を覆うように、第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜が設けられている。これにより、第１電極から金属バッドの設置領域へ電流が流れることを阻止して、素子活性領域に安定した電流を供給することが可能となり、長時間連続して動作させても、安定した電子放出を得ることができる。
【００２６】
本発明の第２の電子放出素子は、第１電極、絶縁性微粒子からなる電子加速層、および第２電極が順次積層され、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、前記第１電極から放出される電子を前記電子加速層において加速させて前記第２電極から外部へ放出させる電子放出素子において、前記第２電極上に少なくとも一部が重なるように設けられた引き出し電極と、前記引き出し電極上に接着された金属パッドと、前記第１電極の表面を投影面として前記引き出し電極および前記金属パッドが前記第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域を覆うように前記第１電極上に設けられた、前記第２投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備えることを特徴としている。
【００２７】
第１の電子放出素子においては、金属パッドは第２電極上に接着されている構成であったが、第２の電子放出素子においては、第２電極上に少なくとも一部が重なる引き出し電極が設けられた構成である。金属パッドはこの引き出し電極上に接着される。
【００２８】
引き出し電極を設けることで、第２電極の形状を、引き出しを考慮せずに設計することができる。しかしながら、引き出し電極を設けた場合、第２電極と引き出し電極とを接合する部分で電極膜の厚みが厚くなるので、厚みの増した部分においても、金属パッドの設置領域と同様の電流集中が起こる。
【００２９】
上記構成によれば、電流阻止絶縁膜は、第１電極の表面に対して金属パッドおよび引き出し電極を投影した第２投影領域を覆うように設けられている。これにより、第１電極から引き出し電極の形成領域および金属バッドの設置領域へ電流が流れることを阻止して、素子活性領域に安定した電流を供給することが可能となり、長時間連続して動作させても、安定した電子放出を得ることができる。
【００３０】
また、本発明の上記第１、第２の電子放出素子においては、さらに、第１電極上に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する前記第１電極からの電子の放出を制御する電子放出制御絶縁膜を備え、前記小孔に、前記電子加速層における絶縁性微粒子が埋め込まれている構成とすることが好ましい。
【００３１】
上記構成によれば、前記第１電極上に膜厚方向に貫通した複数の小孔を有した、第１電極からの電子の放出を制御する電子放出制御絶縁膜が設けられている。そして、小孔には、電子加速層における絶縁性微粒子が埋め込まれている。
【００３２】
このような構成では、電子は、第１電極から、電子放出制御絶縁膜に設けられた各小孔内に入り込んだ電子加速層に移動し、前記メカニズムで電子が放出される。電子放出制御絶縁膜では、電気抵抗が高く、第１電極からの電子が電子放出制御絶縁膜から上層に移動しないため、電子放出が起こらない。この結果、小孔部分でのみ電子が放出されることになり、素子全体に配置した小孔から電子が均一に電子が放出される。また、電子放制御絶縁膜のパターンにしたがって電子放出が生じる素子構造になっているので、制御性よく電子を放出させることができる。
【００３３】
また、電子放出制御絶縁膜を設ける構成においては、さらに、前記電子加速層の前記第２電極側の面に、炭素薄膜が配置されている構成とすることが好ましい。
【００３４】
電子放出制御絶縁膜における複数の小孔部分に電界が集中した状態が続くと、電子放出素子に局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスがかかり、小孔周辺部分に欠陥が生じる場合がある。そして、欠陥数が増加すると電流のパスが生じて絶縁破壊につながる。
【００３５】
これに対し、上記構成にように、炭素薄膜を設けることで、炭素薄膜が抵抗体として作用して、電子放出素子にかかる局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスが緩和されることになり、この結果、欠陥が生じ難く、絶縁破壊が生じ難くなる。これにより、適度な電圧で十分な電子を放出することができると共に、絶縁破壊が生じ難く、長時間の連続動作が可能となる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の第１の電子放出素子は、第２電極上に接着された金属パッドと、第１電極の表面を投影面として金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第１投影領域を覆うように第１電極上に設けられた、第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備える構成である。
【００３７】
本発明の第２の電子放出素子は、第２電極上に少なくとも一部が重なるように設けられた引き出し電極と、引き出し電極上に接着された金属パッドと、第１電極の表面を投影面として引き出し電極および金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域を覆うように第１電極上に設けられた、第２投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備える構成である。
【００３８】
これにより、微粒子層を有する電子放出素子において、電子放出素子としての機能低下を引き起こすことなく実装に適した構成として、長時間連続して安定した電子放出が得られる電子放出素子を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の電子放出素子の実施形態１の構成を示す模式図である。
【図２】実施形態１の電子放出素子を用いた帯電装置の一例を示す模式図である。
【図３】実施形態１の電子放出素子を用いた実施形態３−１の自発光デバイスを示す模式図である。
【図４】実施形態１の電子放出素子を用いた実施形態３−２の自発光デバイスを示す模式図である。
【図５】別の電子放出素子を用いた実施形態３−３の自発光デバイスを示す模式図である。
【図６】実施形態３−３の自発光デバイスを用いた実施形態３−４の画像表示装置を示す模式図である。
【図７】実施形態１の電子放出素子を用いた実施形態４−１のイオン風発生装置を示す模式図である。
【図８】実施形態１の電子放出素子を用いた実施形態４−２のイオン風発生装置を示す模式図である。
【図９】その他の実施形態の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図１０】その他の実施形態の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図１１】その他の実施形態の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図１２】実施形態１の電子放出素子を用いて電子放出実験の測定系を示す模式図である。
【図１３】実施例１の電子放出素子における真空中でのエージング試験結果を示す図である。
【図１４】比較例１の電子放出素子における真空中でのエージング試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本発明の第１の電子放出素子は、第２電極上に接着された金属パッドと、第１電極の表面を投影面として金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第１投影領域を覆うように第１電極上に設けられた、第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備える構成である。
【００４１】
上記構成によれば、第２電極上に金属パッドが接着されている。これにより、ボンディングワイヤはこの金属パッドにボンディングされることとなり、ボンディングの圧力や振動などの衝撃は金属パッドに吸収されて、絶縁性微粒子層を含む微粒子層である電子加速層に伝わるのを防ぐことができる。また、金属パッドの表面は平坦であるので、ボンディングワイヤとの接触面積が増え、ボンディングの密着性を高めることが可能である。
【００４２】
さらに、第１電極上には、第１電極の表面に対して金属パッドを投影した第１投影領域を覆うように、第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜が設けられている。これにより、第１電極から金属バッドの設置領域へ電流が流れることを阻止して、素子活性領域に安定した電流を供給することが可能となり、長時間連続して動作させても、安定した電子放出を得ることができる。
【００４３】
本発明の第２の電子放出素子は、第２電極上に少なくとも一部が重なるように設けられた引き出し電極と、引き出し電極上に接着された金属パッドと、第１電極の表面を投影面として引き出し電極および金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域を覆うように第１電極上に設けられた、第２投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備える構成である。
【００４４】
第１の電子放出素子においては、金属パッドは第２電極上に接着されている構成であったが、第２の電子放出素子においては、第２電極上に少なくとも一部が重なる引き出し電極が設けられた構成であり、金属パッドはこの引き出し電極上に接着される。
【００４５】
引き出し電極を設けることで、第２電極の形状を引き出しを考慮せずに設計することができる。しかしながら、引き出し電極を設けた場合、第２電極と引き出し電極とを接合する部分で電極膜の厚みが厚くなるので、厚みの増した部分においても、金属パッド設置部分と同様の電流集中が起こる。
【００４６】
上記構成によれば、電流阻止絶縁膜は、第１電極の表面に対して金属パッドおよび引き出し電極を投影した第２投影領域を覆うように設けられている。これにより、第１電極から引き出し電極の形成領域および金属バッドの設置領域へ電流が流れることを阻止して、素子活性領域に安定した電流を供給することが可能となり、長時間連続して動作させても、安定した電子放出を得ることができる。以下、第１、第２の電子放出素子を、特に区別する必要のない限り、単に電子放出素子と称する。
【００４７】
金属パッドとしては、例えば、金、銀、アルミニウム、銅などの導電材料から成る微小な金属片を用いることができる。これらの中でも、低抵抗であること、加工のしやすさなどの観点から金がより好ましい。
【００４８】
これらの金属パッドの厚みは、１００〜５００μｍとすることができる。１００μmより薄くなると、金属パッド部分へのボンディングの際、下層の絶縁性微粒子から成る電子加速層がボンディングの衝撃に耐えられず壊れてしまう。
【００４９】
また金属パッドの形状は、上面および下面が平坦であれば、その平面視形状は特に限定されず、例えば、多角形（正三角形、正方形、長方形、菱形、五角形、六角形等）、円形、楕円形等が挙げられる。
【００５０】
金属パッドを第２電極あるいは引き出し電極へと接着するための接着剤としては、無溶剤導電性ペーストを用いることができる。導電性材料としては、金属パッドと第２電極あるいは引き出し電極との密着性が高く、優れた導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、導電性ペーストＣＴ２００シリーズ、ＣＴ２８４シリーズ（京セラケミカル株式会社製）やドータイトFA−７０５EN、SA−２０２４（藤倉化学株式会社製）などが挙げられる。
【００５１】
また、本発明の電子放出素子においては、さらに、第１電極上に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する第１電極からの電子の放出を制御する電子放出制御絶縁膜を備え、小孔に、電子加速層における絶縁性微粒子が埋め込まれている構成とすることが好ましい。
【００５２】
このような構成では、電子は、第１電極から、電子放出制御絶縁膜に設けられた各小孔内に入り込んだ電子加速層に移動し、前記メカニズムで電子が放出される。電子放出制御絶縁膜では、電気抵抗が高く、第１電極からの電子が電子放出制御絶縁膜から上層に移動しないため、電子放出が起こらない。この結果、小孔部分でのみ電子が放出されることになり、素子全体に配置した小孔から電子が均一に電子が放出される。また、電子放制御絶縁膜のパターンにしたがって電子放出が生じる素子構造になっているので、制御性よく電子を放出させることができる。
【００５３】
電流阻止絶縁膜および、電子放出制御絶縁膜としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン窒化酸化膜などの無機膜、シリコーン樹脂膜、アクリル系樹脂膜、ポリイミド系樹脂膜、エポキシ系樹脂膜、ポリエステル系樹脂膜、ポリウレタン系樹脂膜、ポリスチレン系樹脂膜などの有機膜等の絶縁膜を用いることができる。これらの中でも、抵抗値、耐熱性、吸水率、機械的強度などの観点から、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂膜、アクリル樹脂膜およびポリイミド樹脂膜がより好ましい。
【００５４】
これらの絶縁膜の膜厚は、電子放出素子に印加する電圧の大きさによって異なるが、例えば、膜厚１００〜３０００ｎｍとすることができる。
【００５５】
また、電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜は、これら各種絶縁膜の単層膜であっても積層膜であってもよい。
【００５６】
電流阻止絶縁膜は、金属パッドを第２電極上に直接接着する構成の場合は、第１電極の表面を投影面として金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第１投影領域の面積以上の大きさの平坦膜であればよい。引き出し電極を設け、その上に金属パッドを接着する構成の場合は、第１電極の表面を投影面として引き出し電極とその上に接着された金属パッドが第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域の面積以上の大きさの平坦膜であればよい。
【００５７】
電子放出制御絶縁膜に形成される複数の小孔のサイズ、形状、密度等は、隣接する小孔相互における電界が互いに干渉しない程度であればよい。また、小孔はランダムに配置されていて構わないが、電子放出素子からより均一に電子を放出できる観点から、縦横整然とマトリックス状に配置されていることが好ましい。
【００５８】
小孔は、一辺が１〜５００μｍの正方形内に収まるサイズを有し、その平面視形状は特に限定されず、例えば、多角形（正三角形、正方形、長方形、菱形、五角形、六角形等）、円形、楕円形等が挙げられる。このとき、電子放出素子の第２電極の外表面から垂直方向に電子が安定して放出できるように、小孔の膜厚方向の断面形状は長方形または正方形であることが望ましい。
【００５９】
また、小孔は５〜２０００個／ｍｍ２の密度で電子放出制御絶縁膜に配置される。なお、小孔のサイズ、形状、密度等が、隣接する小孔相互における電界が互いに干渉する程度に設定された場合、電子放出の均一性や制御性が損なわれてしまう。
【００６０】
このように、電子放出制御絶縁膜は、第１電極上に形成された絶縁膜であり、複数の小孔を有することにより、電子放出素子の電子放出を面内で均一に制御する機能を有する。
【００６１】
本発明の電子放出素子の電子放出は、次のようなメカニズムによって行われる。
【００６２】
つまり、第１電極と第２電極との間に電圧が印加されると、第１電極から、第１電極と第２電極との間における電子加速層中の絶縁性微粒子の表面に電子が移る。絶縁性微粒子の内部は高抵抗であるため、電子は絶縁性微粒子の表面を伝導していく。このとき、絶縁性微粒子の表面の不純物、絶縁性微粒子が酸化物である場合の酸素欠陥、あるいは絶縁性微粒子間の接点で、電子がトラップされる。このトラップされた電子は固定化された電荷として働く。
【００６３】
その結果、電子加速層の表面では、印加電圧と、トラップされた電子が作る電界とが合わさって強電界が発生し、その強電界によって電子が加速され、第２電極から電子が放出される。
【００６４】
電子放出制御絶縁膜を設けた構成では、電子放出制御絶縁膜に設けられた厚み方向に貫通する複数の小孔に入り込んだ電子加速層に電子が移動し、前記メカニズムで電子が放出される。電子放出制御絶縁膜では、電気抵抗が高く、第１電極からの電子が電子放出制御絶縁膜から上層に移動しないため、電子放出が起こらない。
【００６５】
この結果、小孔部分でのみ電子が放出されることになり、素子全体に配置した小孔から電子が均一に電子が放出される。また、電子放制御絶縁膜のパターンにしたがって電子放出が生じる素子構造になっているので、制御性よく電子が放出される。
【００６６】
このように、電子放出制御絶縁膜を設けた構成では、電子放出制御絶縁膜に電子放出させる部分（小孔）と電子放出させない部分とが交互に配列したパターン構造であるため、前記メカニズムに基づいて均一に制御性よく電子放出することができる。
【００６７】
また、電子放出制御絶縁膜を設ける構成においては、さらに、電子加速層の第２電極側の面に、炭素薄膜が配置されている構成とすることが好ましい。
【００６８】
詳細については後述するが、電子放出制御絶縁膜における複数の小孔部分に電界が集中した状態が続くと、電子放出素子に局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスがかかり、小孔周辺部分に欠陥が生じる場合がある。そして、欠陥数が増加すると電流のパスが生じて絶縁破壊につながる。
【００６９】
炭素薄膜を設けることで、炭素薄膜が抵抗体として作用して、電子放出素子にかかる局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスが緩和されることになる。
【００７０】
この結果、欠陥が生じ難く、絶縁破壊が生じ難くなる。これにより、適度な電圧で十分な電子を放出することができると共に、絶縁破壊が生じ難く、長時間の連続動作が可能となる。
【００７１】
また、電子放出素子に印加する電圧は、直流電圧でも交流電圧でもどちらでもよいが、電子放出量が比較的安定している交流電圧の方が好ましい。以下、本明細書において、単に「電圧」というときは「交流電圧」と「直流電圧」の両方を指すものとする。
【００７２】
本発明の第１の電子放出素子は、上層において金属パッドが設置される、第１電極上の領域に、平坦な電流阻止絶縁膜を形成する工程Ａと、第１電極上に電流阻止絶縁膜を覆うように絶縁性微粒子を含む電子加速層を形成する工程Ｂと、電子加速層上に第２電極を形成する工程Ｃと、下層に電流阻止絶縁膜が形成されている第２電極上の領域に金属パッドを接着する工程Ｄとを含む電子放出素子の製造方法により製造することができる。
【００７３】
また、工程Ａに代えて、第１電極上に、平坦な電流阻止絶縁膜と共に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する電子放出制御絶縁膜とを形成する工程Ａ’とし、第１電極上に電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜を覆うように絶縁性微粒子を含む電子加速層を形成する工程Ｂ’とすることで、電子放出制御絶縁膜を有する第１の電子放出素子を製造することができる。
【００７４】
本発明の第２の電子放出素子は、上層において金属パッドが設置される、第１電極上の領域に、平坦な電流阻止絶縁膜を形成する工程Ａと、第１電極上に電流阻止絶縁膜を覆うように絶縁性微粒子を含む電子加速層を形成する工程Ｂと、前記電子加速層上に第２電極を形成する工程Ｃと、電子加速層上における下層に電流阻止絶縁膜が形成されている領域に、第２電極と少なくとも一部が重なるように引き出し電極を形成する形成する工程Ｅと、引き出し電極上に金属パッドを接着する工程Ｆとを含む電子放出素子の製造方法により製造することができる。
【００７５】
また、工程Ａに代えて、第１電極上に、平坦な電流阻止絶縁膜と共に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する電子放出制御絶縁膜とを形成する工程Ａ’とし、第１電極上に電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜を覆うように絶縁性微粒子を含む電子加速層を形成する工程Ｂ’とすることで、電子放出制御絶縁膜を有する第２の電子放出素子を製造することができる。
【００７６】
ここで、電子放出制御絶縁膜を有する電子放出素子であって、電子加速層の膜厚が電子放出制御絶縁膜の膜厚と等しい電子放出素子を製造する場合、前記工程Ｂ’と工程Ｃの間に、例えば、エッチングまたは化学機械研磨（ＣＭＰ）により、電子放出制御絶縁膜が露出するまで電子加速層を除去する工程が含まれる。この場合、工程Ｃにおいて、第２電極は、各小孔内の電子加速層上と電子放出制御絶縁膜上に形成される。
【００７７】
前記工程Ａ’は、例えば、第１電極上に電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上にレジストパターン膜を形成する工程と、該レジストパターン膜をマスクとして前記絶縁膜をエッチングして、電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜のパターニング、および電子放出制御絶縁膜となる部分の絶縁膜に複数の小孔を形成し、それによって電子放出制御絶縁膜を形成する工程とを含む。
【００７８】
また、前記炭素薄膜を有する電子放出素子を製造する場合、電子加速層の第２電極側の面に、炭素薄膜を形成する工程をさらに含む。つまり、炭素薄膜の形成工程は、工程Ｂ’と工程Ｃの間で行われる。
【００７９】
前記工程Ｂおよび工程Ｂ’は、例えば、絶縁性微粒子を溶媒に分散させた微粒子分散液を調製する工程と、第１電極上に微粒子分散液を、電流阻止絶縁膜を、あるいは電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜を覆うようにを塗布する工程と、微粒子分散液の塗布膜を乾燥させる工程とを含む。
【００８０】
また、微粒子分散液を塗布する上記工程においては、スピンコート法により微粒子分散液を塗布する工程であってもよく、これによれば分散液の塗布が容易にできる。
【００８１】
前記工程Ｅは、例えば、真空蒸着によって行われる。成膜方法は、特にこれに限定されず、下層に影響がなく第２電極より厚い膜を成膜可能な方法が好ましい。
【００８２】
前記工程Ｄおよび工程Ｆは、接着剤としての導電性ペーストなどを用いて、金属パッドを第２電極、あるいは引き出し電極上に接着し、必要に応じて接着剤を熱硬化する工程を含んでもよい。
【００８３】
この電子放出素子の第１電極と第２電極の間に電圧を印加する電源部を備えることにより、適度な電圧（例えば１０〜２５Ｖ）の印加により十分な電子放出量が得られると共に、長時間でも安定して連続動作可能な電子放出装置が構成される。
【００８４】
さらに、この電子放出装置は、自発光デバイス、その自発光デバイスを備えた画像表示装置、被冷却体を冷却できるイオン風発生装置、帯電装置、その帯電装置を備えた画像形成装置等の主要部に用いられることができる。
【００８５】
前記自発光デバイスによれば、安定で長寿命な面発光を実現することができる。
【００８６】
また、前記イオン風発生装置によれば、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質の発生がなく、被冷却体表面でのスリップ効果を利用することにより、被冷却体表面を高効率で冷却することができる。
【００８７】
また、前記帯電装置によれば、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質を発生させることなく、長期間安定して被帯電体を帯電させることができる。
【００８８】
なお、電子放出装置を備えたこれらの装置は、複数の電子放出素子を含んでもよい。例えば、複数の電子放出素子が平面体上に配置されて、これらの装置に適用されてもよい。また、複数の電子放出素子において、第１電極を共通化してもよい。
【００８９】
以下、本発明の実施形態および実施例について、図面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。
〔実施形態１〕
図１は、本発明の電子放出素子の実施形態１の構成を示す模式図である。図１に示すように、実施形態１に係る電子放出素子９は、第１電極１と、第１電極１上に形成された電流阻止絶縁膜２および電子放出制御絶縁膜３と、第１電極１上に電流阻止絶縁膜２および電子放出制御絶縁膜３を覆うように形成された電子加速層４と、電子加速層４上に形成された炭素薄膜５と、炭素薄膜５上に形成された第２電極６と、第２電極６と少なくとも一部が重なるように形成された引き出し電極７と、引き出し電極７上に接着された金属パッド８とを備える。
【００９０】
上記電子放出制御絶縁膜３は、膜厚方向に貫通した複数の小孔３ａを有し、電子加速層４は、電子放出制御絶縁膜３の膜厚以上の膜厚を有すると共に、電子放出制御絶縁膜３の各小孔３ａ内に埋め込まれる絶縁性微粒子４ａを含んでいる。そして、電流阻止絶縁膜２は、第１電極１の表面を投影面として、引き出し電極７とその上に接着された金属パッド８が第１電極１の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域に設けられている。
【００９１】
また、この電子放出素子９と、電子放出素子９の第１電極１と第２電極６との間に電圧を印加する電源部１０とを備えることにより、電子放出装置１３が構成される。このとき、電源部１０のマイナス極に第１電極１が電気的に接続され、電源部１０のプラス極に第２電極６が、引き出し電極７および金属パッド８を介して電気的に接続される。
＜第１電極＞
第１電極１は、基板の機能を兼ねる電極基板であり、導体で形成された板状体で構成されている。第１電極１は、電子放出素子９の支持体として機能すると共に、電極として機能するため、ある程度の強度を有し、かつ適度な導電性を有するものであればよい。例えば、ステンレス（ＳＵＳ）、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ等の金属で形成された基板、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板を用いることができる。
【００９２】
また、第１電極１は、導電性膜で形成された電極が、ガラス基板またはプラスティック基板等の絶縁体基板上に形成された構造体であってもよい。
【００９３】
例えば、ガラス基板を用いる場合、電子加速層４との界面となるガラス基板の表面を、例えば、マグネトロンスパッタ等を用いて導電性膜で被覆し、導電性膜で被覆されたガラス基板を第１電極１として用いてもよい。
【００９４】
導電性膜の材料としては、大気中での安定動作を所望するのであれば、抗酸化力の高い導電性材料を用いることが好ましく、貴金属を用いることがより好ましい。また、導電性膜には、酸化物導電材料であり透明電極に広く利用されているＩＴＯも有用である。
【００９５】
また、絶縁体基板を被覆する導電性膜には、強靭さが要求されるため、複数の導電性膜を積層してもよい。
【００９６】
例えば、ガラス基板表面にＴｉ膜を膜厚２００ｎｍで形成し、その上にＣｕ膜を膜厚１０００ｎｍで形成した金属積層膜や、ガラス基板表面にＭｏ膜を膜厚３０ｎｍで形成し、その上にＡｌ膜を膜厚１３０ｎｍで形成し、その上にＭｏ膜を膜厚５０ｎｍで形成した金属積層膜を第１電極１として用いてもよいが、これら材料や数値に限定されることはない。Ｔｉ薄膜とＣｕ薄膜でガラス基板を被覆すると、強靭な導電性薄膜を形成できる。
【００９７】
なお、絶縁体基板の表面の導電性膜を、周知のフォトリソやマスクを用いて方形等にパターニングして電極を形成してもよい。
＜電流阻止絶縁膜＞
電流阻止絶縁膜２は、第１電極１上かつ、第１電極１の表面を投影面として、引き出し電極７とその上に接着された金属パッド８が第１電極１の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域（換言すると、金属パッド８、引き出し電極７を含む領域の真下）に形成された平坦な絶縁膜であり、金属パッド８の設置領域（金属パッド８の真下）に流れる電流を阻止する機能を有する。なお、電流阻止絶縁膜２の材料や膜厚等は、前記の通りである。
＜電子放出制御絶縁膜＞
電子放出制御絶縁膜３は、第１電極１上に形成された絶縁膜であり、複数の小孔３ａを有することにより、電子放出素子９の電子放出を面内で均一に制御する機能を有する。なお、電子放出制御絶縁膜３の材料や膜厚、小孔３ａのサイズ、形状および密度等は、前記の通りである。
【００９８】
電子放出制御絶縁膜３は、第１電極の表面を投影面として第２電極が第１電極の表面の法線方向に投影された領域を覆うように設けられる。
＜電子加速層＞
絶縁性微粒子４ａを含んでなる電子加速層（絶縁性微粒子層）４は、複数の小孔３ａを有する電子放出制御絶縁膜３上に形成され、第１電極１から第２電極２へ向かう電子を加速させる機能を有する。
【００９９】
電子加速層４は、半導電性を有する絶縁性微粒子４ａを主に有して構成されているため、電圧が印加されると、極弱い電流が流れる。電子加速層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電子加速層４内の強電界により弾道電子となり、第２電極６を透過して電子放出素子９の外部へ放出される。また、弾道電子は、絶縁性微粒子４ａによる電子加速層４の表面の凹凸の影響から生じる第２電極６の隙間（微細孔）をすり抜けて外部へ放出される場合もある。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推測される。
【０１００】
また、熱処理を行って絶縁性微粒子４ａを完全に溶解させ結晶化させると、電子加速層４は絶縁物となって電子を加速させる機能が失われるため、単に絶縁性微粒子４ａを材料として用いればよいのではなく、粒子形状を保った絶縁性微粒子４ａで電子加速層４が形成されている必要がある。
【０１０１】
例えば、電子放出素子９への印加電圧および電子放出制御絶縁膜３が前記条件の場合、電子加速層４の膜厚は８〜６０００ｎｍが好ましく、３０〜１０００ｎｍがさらに好ましい。
【０１０２】
電子加速層４の膜厚が８〜６０００ｎｍであれば、膜厚が均一な（表面が平滑な）電子加速層４を形成し易くなり、その結果、各小孔３ａに対応する部分の電子加速層４の電気抵抗の値が均一となり、電子放出素子９の全体に亘ってより一様に電子を放出することができる。
【０１０３】
電子放出素子９は、できるだけ低い電圧で強い電界を加えて電子を加速させることが好ましい。そのため、電子放出素子９への印加電圧や電子放出制御絶縁膜３の膜厚等にもよるが、電子加速層４の膜厚は、８〜６０００ｎｍの範囲のうちでもできるだけ薄いことが好ましい。
【０１０４】
絶縁性微粒子４ａとしては、ＳｉＯ２、ＺｎＯ等の半導体酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣｕＯ等の金属酸化物からなる絶縁性微粒子を用いることができる。また、これらの絶縁性微粒子を単独で、あるいは複数種類組み合わせて用いることができる。材料が異なる複数種類の絶縁性微粒子４ａを用いる場合、これら複数種類の絶縁性微粒子４ａが後述する数値範囲の粒径をもつ粒子であればよい。
【０１０５】
また、複数種類の絶縁性微粒子４ａが分散液に分散され、分散液が電子放出制御絶縁膜３上に塗布されて電子加速層４を形成する場合、絶縁性微粒子４ａの選定は分散液中の粒子の分散性を考慮することが望ましい。
【０１０６】
絶縁性微粒子４ａの粒径は、電子放出制御絶縁膜３の膜厚および小孔３ａのサイズが前記条件の場合、５〜１０００ｎｍが好ましい。絶縁性微粒子４ａの粒径が５ｎｍより小さいと、粒径のばらつきを小さくすることが難しいため、均一な膜厚の電子加速層４を形成することが難しい。一方、粒径が１０００ｎｍより大きいと、絶縁性微粒子４ａの分散液を塗布して電子加速層４を形成する場合に、分散液中に絶縁性微粒子４ａが沈降して分散性が悪くなり、その結果、分散液の塗布膜において絶縁性微粒子４ａの多い箇所と少ない箇所が生じ易くなり、均一な膜厚の電子加速層４を形成することが難しい。なお、本発明において、「粒径」とは平均一次粒径を意味し、粒子径はレーザー回折法にて測定した。
【０１０７】
電子加速層４には、絶縁性微粒子４ａの粒径よりも小さい粒径を有する導電性微粒子が含まれていてもよい。電子加速層４に導電性微粒子を添加することによって、電子加速層４を流れる電流値電子放出量を制御することができる。換言すると、電子加速層４中の絶縁性微粒子４ａの含有量を調整して、電子加速層４の電気抵抗の値を任意の範囲に調整できる。
【０１０８】
導電性微粒子としては、特に限定されないが、例えば、金、銀、白金、パラジウムおよびニッケルからなる導電性粒子のうち少なくとも１種を含んでいてもよい。なお、導電性微粒子の粒径が絶縁性微粒子の粒径と同等以上であると、電子加速層４が必要とする絶縁性が得られなくなるため、導電性微粒子の粒径は絶縁性微粒子の粒径よりも小さい必要がある。
【０１０９】
さらに、電子加速層４には、バインダー成分として少量のシリコーン樹脂が含まれていてもよい。電子加速層４がシリコーン樹脂を含むことで、電子放出素子９の機械的強度を向上することができると共に、大気中の酸素および水分などによる素子劣化を防ぐことができ、長寿命化をより効果的に図ることができる。
【０１１０】
また、必要に応じて電子加速層４に分散剤等の添加剤が含まれていてもよい。
【０１１１】
また、電子加速層４は、材料が異なる２層以上の積層構造になっていてもよい。例えば、１層目が実質的な電子加速層、２層目が機械的強度アップ、防湿度効果、膜表面の平坦化を目的とする保護層といった積層構造を採用することができる。
＜炭素薄膜＞
炭素薄膜５は、第２電極６と電子加速層４の間の抵抗体として機能する。前記のように電子放出制御絶縁膜３には複数の小孔３ａが設けられているため、この電子放出素子９をエージング試験（例えば、長時間にわたる連続動作試験）にかけると、各小孔３ａ部分に電界が集中した状態が続くことになり、この電子放出素子９は局所的な電圧・電流ストレスに連続的にさらされる。
【０１１２】
大きい電圧・電流ストレスが長時間続くと、電子放出制御絶縁膜３の小孔３ａ周辺部分に欠陥が生じる場合があり、欠陥数が増加すると電流のパスが生じて絶縁破壊につながる。
【０１１３】
抵抗体としての炭素薄膜５は、例えば、金、銀等からなる第２電極６と比較して電気的に高抵抗であるため、電子放出素子９がかかる局所的かつ連続的な電圧・電流ストレスが緩和されることになり、この結果、欠陥が生じ難く、絶縁破壊が生じ難くなる。
【０１１４】
この炭素薄膜の材料としては、例えば、グラファイトが好適である。
【０１１５】
また、炭素薄膜５の膜厚は、印加電圧、電子放出制御絶縁膜３の膜厚、小孔３ａのサイズおよび密度、第２電極６の材質等の条件にもよるが、前記条件の場合は５〜２０ｎｍが好ましい。炭素薄膜の膜厚が５ｎｍより薄いと炭素薄膜が抵抗体として機能するには十分でなく、一方、膜厚が２０ｎｍより厚いと電子放出に必要な電圧が大きくなり過ぎて好ましくない。
＜第２電極＞
第２電極６は、第１電極１と対の電極を構成し、第１電極１と共に電子加速層４内に電圧を印加させるための電極であるため、電極として機能する程度の導電性を有する材料にて形成されればよい。
【０１１６】
しかしながら、第２電極６は、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することが好ましいため、仕事関数が低くかつ薄膜で形成することが可能な導電性材料で形成されることが好ましい。
【０１１７】
このような材料としては、例えば、仕事関数が４〜５ｅＶに該当する金、銀、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。
【０１１８】
第２電極６の膜厚は、電子放出素子９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、この観点から１０〜５５ｎｍが好ましい。第２電極６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、これより薄い膜厚では電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子９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、これより厚い膜厚では弾道電子の透過が起こらず、第２電極６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。
＜引き出し電極＞
引き出し電極７は、第２電極６と少なくとも一部が重なるように形成され、第２電極６を引き出し、金属パッド８を設置するための電極である。金属パッド８を接着できる程度の厚みと金属パッド８以上の大きさがあればよい。また、電極として機能する導電性に優れた材料にて形成されればよい。
＜金属パッド＞
金属パッド８は、第１電極１と共に電子加速層４内に電圧を印加させるための電極であり、厚みのある金属片である。金属パッド８を設けたことで、ボンディングワイヤは金属パッド８にボンディングされることとなり、ボンディングの圧力や振動などの衝撃は金属パッド８に吸収されて、電子加速層４に伝わるのを防ぐことができる。
【０１１９】
また、金属パッド８の表面は平坦であるので、ボンディングワイヤとの接触面積が増え、ボンディングの密着性を高めることが可能である。つまり、絶縁性微粒子４ａによる微小な凹凸のある素子表面を平坦化することができる。なお、金属パッド８の材料、膜厚、形状等は、前記の通りである。
＜製造方法＞
次に、図１を参照しながら実施形態１に係る電子放出素子９の製造方法について説明する。
【０１２０】
前記のように構成された電子放出素子９は、上層において金属パッドが設置される、第１電極上の領域に、平坦な電流阻止絶縁膜を形成すると共に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する電子放出制御絶縁膜を形成する工程と、第１電極上に、電流阻止絶縁膜および電子放出制御絶縁膜を覆うように絶縁性微粒子を含む電子加速層を形成する工程と、前記電子加速層上に第２電極を形成する工程と、電子加速層上における下層に電流阻止絶縁膜が形成されている領域に、第２電極と少なくとも一部重なるように引き出し電極を形成する形成する工程と、引き出し電極上に金属パッドを接着する工程とを含む電子放出素子の製造方法により製造される。
【０１２１】
具体的に説明すると、電流阻止絶縁膜２および電子放出制御絶縁膜３の形成工程において、まず、絶縁体材料としてのアクリル系樹脂を溶剤に溶かした塗液を第１電極１上にスピンコート法で塗布して塗布膜を形成し、塗布膜を加熱乾燥する。その後、フォトリソグラフィーによって、乾燥した塗布膜（絶縁膜）に複数の小孔３ａを形成すると共に、電子放出制御絶縁膜３と電流阻止絶縁膜２とをパターニングし、複数の小孔３ａを有する電子放出制御絶縁膜３と、エッチング処理をしない平坦な電流阻止絶縁膜２とを形成する。
【０１２２】
絶縁体材料は、アクリル系樹脂以外にも、例えば、シリコーン樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリスチレン系樹脂などの有機ポリマーが挙げられる。また、これらの有機ポリマーは、１種または２種以上を混合して用いてもよい。
【０１２３】
また、絶縁体材料は、有機ポリマー以外にも、シリコン酸化物やシリコン窒化物などの無機材料を用いて、例えば、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等によって電子放出制御絶縁膜３を形成してもよい。
【０１２４】
また、小孔３ａの方法として、電子ビームリソグラフィ、プラズマエッチング、インクジェット等を用いてもよく、これらの方法に限定されるものではない。
【０１２５】
次に、電子加速層４の形成工程において、まず、溶剤に絶縁性微粒子４ａが分散された絶縁性微粒子分散液を調製する。このとき、絶縁性微粒子分散液に導電性微粒子やバインダー成分を混合してもよい。
【０１２６】
絶縁性微粒子分散液に用いる溶剤としては、バインダー成分を溶解でき、かつ絶縁性微粒子４ａや導電性微粒子を分散でき、かつ塗布後に乾燥することができれば、特に制限はなく、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。
【０１２７】
絶縁性微粒子分散液における絶縁性微粒子４ａの濃度は１０〜５０重量％が好ましい。１０重量％より低濃度であれば、電子放出制御絶縁膜３の小孔３ａ内に絶縁性微粒子４ａを満充填し難く、５０重量％より高濃度であれば、絶縁性微粒子分散液の粘度が上昇すると共に、凝集が生じるため、薄膜化した電子加速層４を形成することができない。
【０１２８】
次に、絶縁性微粒子分散液を第１電極１上にスピンコート法にて塗布する。スピンコート条件は、特に限定されないが、絶縁性微粒子分散液の塗布膜を有する第１電極１を、例えば、スピン回転数５００ｒｐｍで１秒間回転させた後、スピン回転数３０００ｒｐｍで１０秒間回転させる。
【０１２９】
第１電極１上の塗布膜の塗布量は特に限定されないが、例えば、２４ｍｍ角の第１電極１に塗布する場合、０．２ｍＬ／ｃｍ２以上であればよい。スピンコート法を用いることで、上記絶縁性微粒子４ａや導電性微粒子を簡便に広範囲に塗布することができる。
【０１３０】
続いて、第１電極１上の塗布膜を乾燥させることにより、電子加速層４を形成する。なお、電子加速層４が所望の膜厚となるまで、塗布および乾燥を繰り返してもよい。
【０１３１】
次に、炭素薄膜５の形成工程において、例えば、蒸着法、マグネトロンスパッタ法等を用いて、電子加速層４上に炭素薄膜５を形成する。
【０１３２】
続いて、第２電極６および引き出し電極７の形成工程において、例えば、マグネトロンスパッタ法、インクジェット法、スピンコート法、蒸着法等を用いて、炭素薄膜５上に第２電極６を形成し、さらに第２電極６上に引き出し電極７を形成する。
【０１３３】
最後に、金属パッド８の形成工程において、例えば、導電性ペーストを接着剤として用いて、引き出し電極７上に金属パッド８を熱硬化により接着することにより、電子放出素子９が完成する。
【０１３４】
そして、この電子放出素子９の第１電極１と金属パッド８に、リード線を介して電源部１０の負極と正極を電気的に接続することにより、電子放出装置１３が完成する。
この電源部１０としては、１０〜４５Ｖの電圧を印加可能な電源を用いることができる。
〔実施形態２〕
図２は実施形態１の電子放出素子９を用いた帯電装置の一例を示す模式図である。なお、図２において、図１中の要素と同様の要素には同一の符号を付している。
【０１３５】
この帯電装置９０は、電子放出素子９と、これに電圧を印加する電源部１０とを有する電子放出装置１３から成り、電子写真方式の画像形成装置に備えられた感光体Ｐを帯電させるものである。
【０１３６】
帯電装置９０を構成する電子放出素子９は、被帯電体である感光体Ｐに対向して設置され、電圧が印加されることにより電子を放出させ、感光体Ｐを帯電させる。なお、この実施形態で説明される画像形成装置において、帯電装置９０以外の構成部材は、従来公知のものを用いることができる。
【０１３７】
ここで、帯電装置９０として用いる電子放出素子９は、感光体Ｐから、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置されることが好ましい。また、電子放出素子９への印加電圧は２５Ｖ程度が好ましく、電子放出素子９における電子加速層４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構成されていればよい。
【０１３８】
帯電装置９０として用いられる電子放出装置１３は、大気中で動作しても放電を伴わず、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Ｐやベルトなどを酸化し劣化させてしまう。
【０１３９】
このような帯電装置９０を画像形成装置が有することで、このような問題は生じない。
また、この電子放出素子９は電子放出量が向上しているため、帯電装置９０によって感光体Ｐを効率よく帯電することができる。
【０１４０】
さらに、この電子放出素子９が同一基板に複数形成された電子放出装置１３を帯電装置９０として用いることにより、帯電装置９０は面電子源として構成されるので、感光体Ｐの回転方向へも幅を持って帯電することができ、感光体Ｐのある箇所への帯電機会を多く稼ぐことができる。
【０１４１】
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。
〔実施形態３〕
図３は実施形態１の電子放出素子９を用いた実施形態３−１の自発光デバイスを示す模式図であり、図４は実施形態１の電子放出素子９を用いた実施形態３−２の自発光デバイスを示す模式図であり、図５は別の電子放出素子を用いた実施形態３−３の自発光デバイスを示す模式図であり、図６は実施形態３−３の自発光デバイスを用いた実施形態３−４の画像表示装置を示す模式図である。なお、図３〜図６において、図１中の要素と同様の要素には同一の符号を付している。
【０１４２】
図３（実施形態３−１）に示す自発光デバイス３１は、電子放出素子９およびこれに電圧を印加する電源部１０とを有する電子放出装置１３と、電子放出素子９と離れて対向状に配置される発光部３６とを備える。
【０１４３】
発光部３６は、基材となるガラス基板３４上にＩＴＯ膜３３と蛍光体層３２がこの順に積層された積層構造を有し、蛍光体層３２が電子放出素子９の第２電極６と対面している。ＩＴＯ膜３３の膜厚は、導電性を確保できる膜厚であればよく、例えば、１００〜３００ｎｍとすることができ、本実施形態では１５０ｎｍとした。
【０１４４】
蛍光体層３２としては、赤、緑、青色発光に対応した電子励起タイプの蛍光体材料が適しており、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＋等を用いることができる。蛍光体層３２の厚さ１μｍ程度が好ましい。
【０１４５】
蛍光体層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蛍光体微粒子との混練物を用い、バーコーター法、滴下法、スピンコート法等の公知技術によって形成することができる。
【０１４６】
このとき、所望の発光色が得られるよう、赤、緑および青色の蛍光体微粒子の内から１色以上の蛍光体微粒子を適切な重量混合比で選択する。例えば、白い発光色が得られるようにするのであれば、赤、緑および青色の蛍光体微粒子を重量混合比１：１：１で混合した混練物を用いる。
【０１４７】
ここで、蛍光体層３２の発光輝度を上げるには、電子放出素子９から放出された電子を蛍光体層３２へ向けて加速する必要があり、その場合は、電子放出素子９の第１電極１とＩＴＯ膜３３の間に、電子を加速する電界を形成するための直流電圧印加用の第２電源部３５を設けることが好ましい。
【０１４８】
このとき、蛍光体層３２と電子放出素子９との距離が０．３〜１ｍｍ、電源部１０からの印加電圧が１８Ｖ、第２電源部３５からの印加電圧が５００〜２０００Ｖに設定することが好ましい。
【０１４９】
図４（実施形態３−２）に示す自発光デバイス１３１は、電子放出素子９およびこれに電圧を印加する電源部１０を有する電子放出装置１３と、電子放出素子９上に形成された蛍光体層１３２とを備えている。
【０１５０】
蛍光体層１３２は、実施形態３−１と同様の方法で電子放出素子９の第２電極６上に形成することができる。但し、電子放出素子９は外力に対して弱く、バーコーター法を用いると電子放出素子９が壊れるおそれがあるため、滴下法またはスピンコート法を用いるのが好ましい。
【０１５１】
図５（実施形態３−３）に示す自発光デバイス２３１は、前記とは異なる電子放出素子２９およびこれに電圧を印加する電源部１０を有する電子放出装置２１０である。電子放出素子２９と電子放出素子９との違いは、電子加速層にある。
【０１５２】
この電子放出素子２９の電子加速層２３は、前記絶縁性微粒子４ａと蛍光体微粒子（符号省略）を混合した材料を用いた材料から形成されている。電子加速層４と電子加速層２３との違いは、蛍光体微粒子を含むかどかの違いである。
【０１５３】
蛍光体微粒子は、一般的に電気抵抗が低く、絶縁性微粒子４ａと比べても明らかに電気抵抗は低い。よって、蛍光体微粒子を用いる場合、絶縁性微粒子４ａに対する蛍光体微粒子の混合量を少量に抑える必要がある。例えば、絶縁性微粒子４ａとして球状シリカ粒子（粒径１１０ｎｍ）、蛍光体微粒子としてＺｎＳ：Ｍｇ（粒径５００ｎｍ）を用いた場合、それらの重量混合比は３：１程度が適切となる。
【０１５４】
この場合、蛍光体微粒子全量中、所望の発光色が得られるよう、赤、緑および青色の蛍光体微粒子の内から１色以上の蛍光体微粒子を適切な重量混合比で選択する。
【０１５５】
実施形態３−１の自発光デバイス３１の場合、電子放出素子９から外部へ放出した電子が、発光部３６の蛍光体層３２に衝突することにより、蛍光体層３２が発光する。
【０１５６】
実施形態３−２の自発光デバイス１３１の場合、電子放出素子９から蛍光体層１３２に電子が入射して衝突することにより、蛍光体層１３２が発光する。
【０１５７】
実施形態３−３の自発光デバイス２３１の場合、第１電極１からの電子が電子加速層２３を通過する際に、電子が蛍光体微粒子と衝突することにより、電子放出素子２９が発光する。
【０１５８】
これらの電子放出素子９、２９は電子放出量が向上しているため、自発光デバイス３１、１３１、２３１は効率よく発光することができる。なお、自発光デバイス３１、１３１、２３１は、大気中で動作可能であるが、真空封止することにより電子放出電流が上昇し、より効率よく発光することができる。
【０１５９】
図６（実施形態３−４）に示す画像表示装置３４０は、図５で示した自発光デバイス２３１と、液晶パネル３３０とを備えている。この画像表示装置３４０において、自発光デバイス２３１は液晶パネル３３０の後方に配置されてバックライトとして用いられる。したがって、この場合、自発光デバイス２３１は白い発光色が得られるよう、電子加速層２３中には赤、緑および青の蛍光体微粒子が重量混合比１：１：１で分散している。
【０１６０】
また、この場合、例えば、自発光デバイス２３１が単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子を放出するよう、自発光デバイス２３１への印加電圧を２０〜３５Ｖに設定することが好ましく、自発光デバイス２３１と液晶パネル３３０との距離は、０．１ｍｍ程度が好ましい。
【０１６１】
なお、液晶パネル３３０は従来公知のもの、例えば、バックライト側から、偏光板、ガラス基板、透明電極、配向膜、液晶、配向膜、透明電極、保護膜、カラーフィルター、ガラス基板および偏光板が積層されたパネル構造を用いることができる。
【０１６２】
また、図示しない実施形態３−５の画像表示装置として、図３（実施形態３−１）で説明した自発光デバイス３１をマトリックス状に配置して、自発光デバイス３１そのものによる電界放出ディスプレイ(ＦＥＤ: Field Emission Display）として画像を表示させることもできる。この場合、例えば、自発光デバイス３１が単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子を放出するよう、自発光デバイス３１への印加電圧を２０〜３５Ｖに設定することが好ましい。
〔実施形態４〕
図７は実施形態１の電子放出素子９を用いた実施形態４−１のイオン風発生装置を示す模式図であり、図８は実施形態１の電子放出素子９を用いた実施形態４−２のイオン風発生装置を示す模式図である。なお、図７および図８において、図１中の要素と同様の要素には同一の符号を付している。
【０１６３】
図７（実施形態４−１）のイオン風発生装置１５０は、電子放出素子９およびこれに電圧を印加する電源部１０を有する電子放出装置１３からなる。このイオン風発生装置１５０は、その電子放出素子９が被冷却体Ｑに対して傾斜状に対向するように配置され、電子放出素子９が電気的に接地された被冷却体Ｑ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Ｑを冷却する。
【０１６４】
つまり、従来、ファンのみで被冷却体Ｑの表面に風を送っても、その表面に最も近い空気分子は留まって動かないという所謂「ノースリップ効果」が発生するため、被冷却体Ｑの表面の冷却効果が低かった。
【０１６５】
実施形態４−１のイオン風発生装置１５０によれば、電子放出素子９からの電子が空気分子と衝突してイオンを生じ、更にこのイオンが周りの空気分子に衝突することによって空気分子やイオンが移動する。このことで「イオン風」が発生する。このとき、イオンは電位差もしくは電界によって被冷却体Ｑの表面まで運ばれ、被冷却体Ｑとの間に働く電界（鏡像力）により、熱い分子と冷たいイオンが交換するため、被冷却体Ｑの表面が冷却される。
【０１６６】
この場合、例えば、イオン風発生装置１５０が単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子を放出するように、電子放出素子９に印加する電圧を１８Ｖ程度に設定することが好ましい。なお、被冷却体Ｑとしては、例えば、半導体、コンピューターのCPU、LEDなどの電子部品やそれらを搭載した装置等が挙げられる。
【０１６７】
図８（実施形態４−２）のイオン風発生装置１６０は、電子放出素子９およびこれに電圧を印加する電源部１０を有する電子放出装置１３と、電子放出素子９の周囲に回転可能に設けられた送風ファン４２とを備えている。
このイオン風発生装置１６０も、その電子放出素子９が被冷却体Ｑに対して傾斜状に対向するように配置され、電子放出素子９が電気的に接地された被冷却体Ｑ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Ｑに向かって送風することにより、イオン風およびエアー流を発生させて被冷却体Ｑを冷却する。
【０１６８】
このとき、イオン風に加えてエアー流が生じるため、被冷却体Ｑの表面近傍の雰囲気（空気）を効率よく入れ替えることができ、イオン風とエアー流との相乗効果により冷却効率が格段に向上する。
【０１６９】
この場合、例えば、イオン風発生装置１６０が単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子を放出するように、電子放出素子９に印加する電圧を１８Ｖ程度に設定すると共に、送風ファン４２による風量を０．９〜２Ｌ／分／ｃｍ２に設定することが好ましい。
〔他の実施形態〕
実施形態１〜４では、電子加速層４の膜厚が電子放出制御絶縁膜３の膜厚よりも厚い場合を例示したが、電子加速層４の膜厚が電子放出制御絶縁膜３の膜厚と同等あるいは薄くてもよい（図示省略）。
【０１７０】
前者の場合、電子放出制御絶縁膜３の表面上およびその各小孔３ａ内に充填された電子加速層４の表面上に炭素薄膜５および第２電極６が形成される。
【０１７１】
後者の場合、電子加速層４の表面が電子放出制御絶縁膜３の表面よりも凹状に低くなっているため、電子放出制御絶縁膜３の表面上およびその各小孔３ａ内の電子加速層４の表面上に炭素薄膜５および第２電極６が形成されると、第２電極６における各電子加速層４に対応する位置には凹部が形成される。
【０１７２】
また、引き出し電極７が設けられ、その上に金属パッド８が接着された構成を例示したが、図９に示す電子放出素子９ｘのように、第２電極６に、引き出し電極７に替わる引き出し部が形成されており、これに金属パッド８が接着されている構成でもよい。この場合は、上記電流阻止絶縁膜２は、第１電極１の表面に対して金属パッド８および引き出し電極７を投影した第２投影領域を覆うように設けられており、第２投影領域に設けられる。
【０１７３】
また、図１０に示す電子放出素子９ｙのように、炭素薄膜５が設けられていない構成や、図１１に示す電子放出素子９ｚのように、電子放出制御絶縁膜３および炭素薄膜５が設けられていない構成であってもよい。
【実施例】
【０１７４】
以下の実施例では、本発明に係る電子放出素子を用いて電流測定した実験について説明する。なお、この実施例は一例であって、本発明の内容を制限するものではない。
【０１７５】
まず、実施例１の電子放出素子および比較例１の電子放出素子を以下のように作製した。
【０１７６】
まず、実施例１の電子放出素子と比較例１の電子放出素子を以下のように作製した。そして、作製した電子放出素子について、図１２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１２の実験系では、電子放出素子９の第２電極６側に、絶縁体スペーサー１２を挟んで対向電極１１を配置させる。そして、電子放出素子９および対向電極１１は、それぞれ、電源部１０Ａ，１０Ｂに接続されており、電子放出素子９にはＶ１の電圧、対向電極１１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。本実験では、電子放出素子と対向電極との距離は５ｍｍとした。また、対抗電極への印加電圧Ｖ２＝１００Ｖとした。
（実施例１）
第１電極１として２４ｍｍ×２４ｍｍ角のＭＡＭ（Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ）ガラス基板を用い、第１電極１上にアクリル系樹脂からなる、膜厚２．５μｍの電流阻止絶縁膜２および電子放出制御絶縁膜３および形成した。電子放出制御絶縁膜３に形成した小孔３ａのサイズは６０μｍで、総面積は０．０１ｃｍ２である。
【０１７７】
また、５ｍＬの試薬瓶に、溶媒であるヘキサン１．５ｇと、絶縁性微粒子４ａとして粒径５０ｎｍの球状シリカ粒子０．２５ｇとを投入し、超音波分散器を用いて試薬瓶中の微粒子を分散して絶縁性微粒子分散液を調製した。そして、得られた絶縁性微粒子分散液に、銀ナノ粒子（応用ナノ粒子研究所製、銀微粒子の粒径１０ｎｍ）０．０６ｇを投入し、超音波分散器を用いて試薬瓶中の微粒子を分散して絶縁性微粒子と銀ナノ粒子の分散液を調製した。
【０１７８】
さらに、得られた絶縁性微粒子と銀ナノ粒子の分散液に、シリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＲ２４１１）０．０８７５ｇを投入し、超音波分散器を用いて試薬瓶中の微粒子を分散して絶縁性微粒子と銀ナノ粒子とシリコーン樹脂の分散液Ａを調製した。
【０１７９】
次に、電流阻止絶縁膜２と電子放出制御絶縁膜３上に分散液Ａを滴下し、５００ｒｐｍで１秒間、続いて３０００ｒｐｍで１０秒間の条件で２段階のスピンコートを行って、絶縁性微粒子と導電性微粒子とを含む塗布膜を形成し、この塗布膜をホットプレートを用いて１５０℃で６０秒間乾燥することにより、膜厚１．０μｍの電子加速層Ｉを形成した。この操作を６回繰り返し、電子加速層Ｉ〜ＶＩが積層された膜厚５．６μｍの電子加速層４を形成した。
【０１８０】
続いて、真空蒸着装置を用いて、電子加速層４上に、グラファイトを材料とする膜厚１０ｎｍの炭素薄膜５を成膜した。
【０１８１】
その後、マグネトロンスパッタ装置を用いて、炭素薄膜５上に、Ａｕ−Ｐｄを材料とする膜厚４０ｎｍ、面積は０．１６ｃｍ２の第２電極６を形成した。さらに、真空蒸着装置を用いて、下層に電流阻止絶縁膜２が形成されている電子加速層４上であって、第２電極６上に少なくとも一部が重なるように、膜厚６２０ｎｍにて引き出し電極７を形成し、引き出し電極７上に金を材料とする厚み２００μｍ、１ｍｍ角の金属パッド８を、京セラケミカル株式会社製、導電ペーストCT２２３を介して接着し、電子炉を用いて１５０℃で１時間加熱硬化させることにより、実施例１の電子放出素子９を得た。
【０１８２】
この実施例１の電子放出素子９を１×１０−８ＡＴＭの真空容器中に設置した。実施例１の電子放出素子を用いた、エージング結果を図１３に示す。印加電圧Ｖ１＝４０Ｖにて１００時間、連続して安定な電子放出が得られた。単位面積当たりの電子放出電流は、１．４×１０−６Ａ／ｃｍ２前後であった。
（比較例１）
第１電極１として２４ｍｍ×２４ｍｍ角のＭＡＭ（Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ）ガラス基板を用い、第１電極１上に電流阻止絶縁膜２を形成しないことを除いては、実施例１と同様にして、電子放出制御絶縁膜３、電子加速層４を形成した。
【０１８３】
続いて、真空蒸着装置を用いて、電子加速層４上に、グラファイトを材料とする膜厚１０ｎｍの炭素薄膜５を成膜した。
【０１８４】
その後、マグネトロンスパッタ装置を用いて、炭素薄膜５上に、Ａｕ−Ｐｄを材料とする膜厚４０ｎｍ、面積は０．１６ｃｍ２の第２電極６を形成した。さらに、真空蒸着装置を用いて、下層に電流阻止絶縁膜２が形成されていない電子加速層４上であって、第２電極６上に少なくとも一部が重なるように、膜厚６２０ｎｍにて引き出し電極７を形成し、引き出し電極７上に金を材料とする厚み２００μｍ、１ｍｍ角の金属パッド８を、京セラケミカル株式会社製、導電ペーストCT２２３を介して接着し、電子炉を用いて１５０℃で１時間加熱硬化させることにより、比較例１の電子放出素子を得た。
【０１８５】
この比較例１の電子放出素子を１×１０−８ＡＴＭの真空容器中に設置した。比較例１の電子放出素子の初期電気特性測定結果を図１４に示す。図１４は、印加電圧Ｖ１を変化させた際の電子放出電流と素子内電流との変化を示すグラフである。印加電圧Ｖ１＝３．０Ｖ程度で素子内電流が測定リミットの１．０Ａ／ｃｍ２に達するまで流れてしまい、電子放出が得られなかった。
【０１８６】
実施例１および比較例１の結果から、電流阻止絶縁膜２がない場合、金属パッド直下に電流が集中しやすく、素子活性領域に電流が流れないため電子放出が得られないが、電流阻止絶縁膜２を設けることによって、長時間連続して安定した電子放出が得られることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【０１８７】
本発明に係る電子放出素子は、適度な電圧の印加により十分な電子放出量が得られると共に、長時間連続して動作す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、あるいは発光体と組み合わせることによる画像表示装置、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るイオン風発生装置等に、好適に適用することができる。
【符号の説明】
【０１８８】
１ 第１電極
２ 電流阻止絶縁膜
３ 電子放出制御絶縁膜
３ａ 小孔
４、２３ 電子加速層
４ａ 絶縁性微粒子
５ 炭素薄膜
６ 第２電極
７ 引き出し電極７
８ 金属パッド
１０ 電源部
９、９ｘ、９ｙ、９ｚ、２９ 電子放出素子
１１ 対向電極
１２ スペーサー
１３、２１０ 電子放出装置
３１、１３１、２３１ 自発光デバイス
３２、１３２ 蛍光体層
３３ ＩＴＯ膜
３４ ガラス基板
３５ 第２電源部
３６ 発光部
４２ 送風ファン
９０ 帯電装置
１５０、１６０ イオン風発生装置
３３０ 液晶パネル
Ｐ 感光体
３４０ 画像表示装置
Ｑ 被冷却体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極、絶縁性微粒子を含む電子加速層、および第２電極が順次積層され、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、前記第１電極から放出される電子を前記電子加速層において加速させて前記第２電極から外部へ放出させる電子放出素子において、
前記第２電極上に接着された金属パッドと、
前記第１電極の表面を投影面として前記金属パッドが前記第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第１投影領域を覆うように前記第１電極上に設けられた、前記第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜と、を備えることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
第１電極、絶縁性微粒子からなる電子加速層、および第２電極が順次積層され、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、前記第１電極から放出される電子を前記電子加速層において加速させて前記第２電極から外部へ放出させる電子放出素子において、
前記第２電極上に少なくとも一部が重なるように設けられる引き出し電極と、
前記引き出し電極上に接着された金属パッドと、
前記第１電極の表面を投影面として前記引き出し電極および前記金属パッドが前記第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域を覆うように前記第１電極上に設けられた、前記第２投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備えることを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
前記金属パッドが１００〜５００μｍの厚みを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
第１電極上に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する前記第１電極からの電子の放出を制御する電子放出制御絶縁膜を備え、
前記小孔に、前記電子加速層における絶縁性微粒子が埋め込まれていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記電子放出制御絶縁膜の小孔が、一辺が１〜５００μｍの正方形内に収まるサイズを有することを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記電子放出制御絶縁膜の小孔が、５〜２０００個／ｍｍ２の密度で配置されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の電子放出素子。
【請求項７】
前記電流阻止絶縁膜および前記電子放出制御絶縁膜は、同じ材質からなることを特徴とする請求項４〜６の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項８】
前記電流阻止絶縁膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂膜、アクリル樹脂膜またはポリイミド樹脂膜からなることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項９】
前記電子放出制御絶縁膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂膜、アクリル樹脂膜またはポリイミド樹脂膜からなることを特徴とする請求項４〜７の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１０】
前記電子加速層が、８〜６０００ｎｍの層厚を有することを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１１】
前記絶縁性微粒子が、５〜１０００ｎｍの平均粒径を有することを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１２】
前記絶縁性微粒子が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＴｉＯ２のうちの少なくとも１つから形成された微粒子を含んでいることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１３】
前記第２電極が、金、銀、タングステン、チタン、アルミおよびパラジウムのうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１４】
前記電子加速層の前記第２電極側の面に、炭素薄膜が配置されていることを特徴とする請求項４〜７の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１５】
前記電子放出制御絶縁膜の小孔が、マトリックス状に配置されていることを特徴とする請求項４、５、６、７、９又は１４の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１６】
請求項１〜１５の何れか１項に記載の電子放出素子と、該電子放出素子における前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電源部とを備えることを特徴とする電子放出装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電子放出装置と、発光体とを備え、前記電子放出装置から放出された電子によって前記発光体が励起して発光することを特徴とする自発光デバイス。
【請求項１８】
請求項１７に記載の自発光デバイスを備えた画像表示装置。
【請求項１９】
請求項１６に記載の電子放出装置を備え、被冷却体に向かって前記電子放出装置から電子を放出することによりイオン風を発生させることを特徴とするイオン風発生装置。
【請求項２０】
前記被冷却体に向かう空気流を発生する送風ファンをさらに備えた請求項１９に記載のイオン風発生装置。
【請求項２１】
請求項１６に記載の電子放出装置を備え、感光体に向かって前記電子放出装置から電子を放出することにより、前記感光体を帯電させることを特徴とする帯電装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の帯電装置を備えた画像形成装置。
【請求項１】
第１電極、絶縁性微粒子を含む電子加速層、および第２電極が順次積層され、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、前記第１電極から放出される電子を前記電子加速層において加速させて前記第２電極から外部へ放出させる電子放出素子において、
前記第２電極上に接着された金属パッドと、
前記第１電極の表面を投影面として前記金属パッドが前記第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第１投影領域を覆うように前記第１電極上に設けられた、前記第１投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜と、を備えることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
第１電極、絶縁性微粒子からなる電子加速層、および第２電極が順次積層され、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、前記第１電極から放出される電子を前記電子加速層において加速させて前記第２電極から外部へ放出させる電子放出素子において、
前記第２電極上に少なくとも一部が重なるように設けられる引き出し電極と、
前記引き出し電極上に接着された金属パッドと、
前記第１電極の表面を投影面として前記引き出し電極および前記金属パッドが前記第１電極の表面の法線方向に投影された領域である第２投影領域を覆うように前記第１電極上に設けられた、前記第２投影領域における電流の流れを阻止する電流阻止絶縁膜とを備えることを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
前記金属パッドが１００〜５００μｍの厚みを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
第１電極上に、膜厚方向に貫通した複数の小孔を有する前記第１電極からの電子の放出を制御する電子放出制御絶縁膜を備え、
前記小孔に、前記電子加速層における絶縁性微粒子が埋め込まれていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記電子放出制御絶縁膜の小孔が、一辺が１〜５００μｍの正方形内に収まるサイズを有することを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記電子放出制御絶縁膜の小孔が、５〜２０００個／ｍｍ２の密度で配置されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の電子放出素子。
【請求項７】
前記電流阻止絶縁膜および前記電子放出制御絶縁膜は、同じ材質からなることを特徴とする請求項４〜６の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項８】
前記電流阻止絶縁膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂膜、アクリル樹脂膜またはポリイミド樹脂膜からなることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項９】
前記電子放出制御絶縁膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂膜、アクリル樹脂膜またはポリイミド樹脂膜からなることを特徴とする請求項４〜７の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１０】
前記電子加速層が、８〜６０００ｎｍの層厚を有することを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１１】
前記絶縁性微粒子が、５〜１０００ｎｍの平均粒径を有することを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１２】
前記絶縁性微粒子が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＴｉＯ２のうちの少なくとも１つから形成された微粒子を含んでいることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１３】
前記第２電極が、金、銀、タングステン、チタン、アルミおよびパラジウムのうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１４】
前記電子加速層の前記第２電極側の面に、炭素薄膜が配置されていることを特徴とする請求項４〜７の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１５】
前記電子放出制御絶縁膜の小孔が、マトリックス状に配置されていることを特徴とする請求項４、５、６、７、９又は１４の何れか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１６】
請求項１〜１５の何れか１項に記載の電子放出素子と、該電子放出素子における前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電源部とを備えることを特徴とする電子放出装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電子放出装置と、発光体とを備え、前記電子放出装置から放出された電子によって前記発光体が励起して発光することを特徴とする自発光デバイス。
【請求項１８】
請求項１７に記載の自発光デバイスを備えた画像表示装置。
【請求項１９】
請求項１６に記載の電子放出装置を備え、被冷却体に向かって前記電子放出装置から電子を放出することによりイオン風を発生させることを特徴とするイオン風発生装置。
【請求項２０】
前記被冷却体に向かう空気流を発生する送風ファンをさらに備えた請求項１９に記載のイオン風発生装置。
【請求項２１】
請求項１６に記載の電子放出装置を備え、感光体に向かって前記電子放出装置から電子を放出することにより、前記感光体を帯電させることを特徴とする帯電装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の帯電装置を備えた画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２３０７９２（Ｐ２０１２−２３０７９２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９７５３２（Ｐ２０１１−９７５３２）
【出願日】平成２３年４月２５日（２０１１．４．２５）
【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２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２５日（２０１１．４．２５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]