電子放出素子及びその製造方法
【課題】長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子を提供する。
【解決手段】この発明によれば、第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備え、第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したことを特徴とする電子放出素子が提供される。
【解決手段】この発明によれば、第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備え、第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したことを特徴とする電子放出素子が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子放出素子及びその製造方法に関する。
【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）の分野への応用が期待されている。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。
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、強電界により電子放出素子の表面方向に加速衝突し、スパッタリングによる電子放出素子の破壊が生じるという問題がある。
また、大気中にある酸素は、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を発生する。オゾンは人体に有害である上に、強い酸化力にて様々なものを酸化することから、電子放出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する。このような問題に対処するためには、周辺部材に耐オゾン性の高価な材料を用いなければならない。
【０００３】
一方、上記の問題に対し、スパッタリングによる素子の破壊を防止し、オゾンの発生を抑制する技術として、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。これらは電子放出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り、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。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。
【０００４】
また、上記の問題に対し、大気中でも安定した電子放出を可能とし、電子放出に伴うオゾンやＮＯX等の有害物質の発生を抑制できる電子放出素子が開発されている。例えば、電極間に、導電体からなり抗酸化作用が強い導電性微粒子と、上記導電性微粒子の大きさよりも大きい絶縁体物質とが含まれる電子加速層が設けられた電子放出素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
ところで、電子放出素子は、電子放出に伴うオゾンやＮＯX等の有害物質の発生を抑制できるものの、連続して駆動できない場合がある。つまり、電極の一部に不均一な電界が生じて電子加速層の一部に電界が集中する場合があり、このような電界の集中を放置して連続駆動すると、通電時間の経過とともに、より電流の流れ易い前記一部に電流の集中を引き起こし、場合によっては絶縁破壊に至り、この結果、素子に電圧がかからなくなる。このため、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が望まれている。
【０００７】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によれば、第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備え、第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したことを特徴とする電子放出素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の発明者らは、第１及び第２の電極間に、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第1電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第1及び第2電極と前記絶縁層との間及び前記開口部を埋め、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備えると、第1及び第2の電極間の前記微粒子層に流れる電流が、長期の時間を経ても、特定の部分に偏在して流れないことを見出し、この発明の完成に至った。この発明によれば、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施形態１に係る電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】この発明の実施形態１に係る電子放出素子の絶縁層の平面的な形状を説明するための模式図である。
【図４】電子放出実験の測定系を示す図である。
【図５】実施例１の球形遮光体をブローした段階での金パラジウム金属膜（多孔電極層）表面のＳＥＭ観察像を示す図である。
【図６】実施例１並びに比較例１及び２の素子内電流を測定した結果を示す図である。
【図７】実施例１並びに比較例１及び２の電子放出電流を測定した結果を示す図である。
【図８】比較例３を真空中で連続駆動する前と連続駆動した後の、電子放出素子の薄膜電極表面を観察した結果を示す図である。
【図９】実施例１を真空中で連続駆動する前と連続駆動した後の、電子放出素子の薄膜電極表面を観察した結果を示す図である。
【図１０】実施例１を真空中で駆動したときの電子放出電流の経時変化を示す図である。
【図１１】実施例１を大気中（湿度１％RH以下）で駆動したときの電子放出電流の経時変化を示す図である。
【図１２】この発明の実施形態１に係る絶縁層の変形例の構成を示す模式図である。
【図１３】この発明の電子放出素子を用いた帯電装置及び画像形成装置の一例を示す図である。
【図１４】この発明の電子放出素子を用いた電子線硬化装置の一例を示す図である。
【図１５】この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１６】この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１７】この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１８】この発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスを備える画像表示装置の他の一例を示す図である。
【図１９】この発明に係る電子放出素子を用いた送風装置の一例を示す図である。
【図２０】この発明に係る電子放出素子を用いた送風装置（冷却装置）の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この発明の電子放出素子は、第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備え、第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、第１電極と第２電極との間に開口部を有する絶縁層が設けられ、前記開口部を挟んで第１電極と第２電極とが対向するとともに、第２電極の一部が前記絶縁層と重なるように配置されているので、第２電極の一部と第１電極との間の微粒子層に不均一な電界が生じない。このため、長時間にわたって電子放出素子を駆動しても微粒子層の一部に電界が集中せず、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が提供される。
【００１３】
ここで、前記絶縁層は、第１電極と第２電極との間に設けられ、前記微粒子層は、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に設けられる。例えば、前記絶縁層は、第１電極に接して形成されるか、また、第１及び第２電極との間に対向して配置されてもよい。前記絶縁層が第1電極と接して形成される場合、前記微粒子層が第２電極と絶縁層との間に配置され、かつ第１電極と第２電極との間及び前記開口部に配置されてもよい。また、前記絶縁層が第１及び第２電極との間に対向して配置される場合、前記微粒子層が第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置されてもよい。（この場合、前記微粒子層は、第１電極と前記絶縁層との間に配置される微粒子層と、第２電極と前記絶縁層との間及び前記開口部に配置された微粒子層と、で構成される。）
【００１４】
また、前記絶縁層は、絶縁性の層をいうが、例えば、シリコーン樹脂で形成されてもよい。
【００１５】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、第２電極は、その表面に凹部が形成されてもよい。ここで、凹部は、部分的に第２電極の層膜が薄くなった部分をいい、凹部は、第２電極上に均一に分散して配置される。
この実施形態によれば、第２電極の表面に凹部が形成されているので、この実施形態に係る電子放出素子は、いわゆる電流路が形成されやすくなり、凹部で形成される電流路により電子放出の確度、つまり確実に電子放出に至る点が増加する。従って、凹部が第２電極上に均一に分散して配置されることにより、電子放出量が多い電子放出素子が提供される。
【００１６】
ここで、凹部の形状として、例えば、半球状、半楕円体形状を挙げることができる。このような凹部の大きさは、粒径が１〜５μｍであることが好ましく、その分布は、８００〜１２００個／ｍｍ2の密度で分散していることが好ましい。凹部の大きさは小さいほうがよいが、粒径が１μｍ以上であれば、凹部に電界が集中して電流路を形成しやすくなり、また、粒径が５μｍ以下であれば、凹部に過大な電界が集中しにくくなり異常な電流路の形成が生じにくくなる。このため、上記粒径範囲であることが好ましい。また、凹部はその数が多いほうがよいが、凹部の分布が８００個／ｍｍ2以上であれば、電流路がまばらでないので、面全体から十分な電子を放出することが可能となり、凹部の分布が１２００個／ｍｍ2以下であれば、第２電極面内の導電性を均一に保つことができ、面全体に電流を供給しやすくなる。このため、上記分布範囲であることが好ましい。
【００１７】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、第２電極が、前記微粒子層側に形成された第１電極層と、第１電極層上に形成され、第１電極層よりも抵抗値が高い第２電極層と、で構成され、第１電極層の表面に凹部が形成されてもよい。
この実施形態によれば、第１電極層の表面に凹部が形成され、その表面上に第１電極層よりも抵抗値が高い第２電極層が形成されているので、凹部と凹部以外の個所で電気的抵抗値が異なる。このため、凹部下方の微粒子層に電流路が集中して形成され、凹部以外の個所には、電流路が形成されにくい。これにより、長期にわたって連続して駆動できるとともに、第２電極に均一に形成された凹部から電子が集中して放出される電子放出素子が提供できる。
また、第２電極層は、前記凹部が第１電極層を貫通することにより、前記微粒子層と電気的に接続されてもよい。微粒子層表面における凹部と凹部以外の個所で電気的抵抗が異なるので、凹部から電子がより集中して放出される電子放出素子が提供できる。
【００１８】
ここで、第２電極は、例えば、第１電極層がアモルファスカーボン層であり、また、第２電極層が金属層であってもよい。
アモルファスカーボン層は、いわゆるＳＰ2混成軌道を有するグラファイト構造のクラスター（数百個程度の原子の塊）が無秩序に堆積したものである。グラファイト自体は電気伝導に優れた材質であるが、クラスター間の電気伝導は良好とは言えない堆積状態にあるため、この場合、第２電極層（例えば、金属層）に対して電気的には抵抗層として機能する。このため、第１電極層の表面に凹部が形成され、その表面上に第１電極層よりも抵抗値が高い第２電極層が形成されると、抵抗値の平面的な分布の違いにより凹部に電流路が集中する。これにより、第２電極に均一に形成された凹部から電子が集中して放出される電子放出素子が提供できる。
また、第２電極層が金属層である場合、第２電極層が金、銀、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含む材料で構成されてもよい。例えば、第２電極層が金、銀、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを主成分とする材料で形成されるとよい。これらの材料は、仕事関数が低いので、電子を加速させる層として機能する微粒子層（以下、電子加速層ともいう）の電子を効率よくトンネルさせる。このため、高エネルギーの電子をより多く放出させる電子放出素子が提供される。
【００１９】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、前記微粒子層が絶縁性微粒子で構成された絶縁性微粒子層をさらに備えてもよい。つまり、前記微粒子層が、絶縁性微粒子で形成された層と、前記絶縁性微粒子及び導電性微粒子で形成された層とで構成されてもよい。このような構成によれば、微粒子層の凹凸を緩和することができるので、凹凸による異常な電界が発生しにくい。このため、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が提供される。
ここで、前記絶縁性微粒子層は、前記絶縁性微粒子及び導電性微粒子で形成された層上に形成されるとよいが、前記絶縁性微粒子及び導電性微粒子で形成された層の下方に接して形成されてもよい。
【００２０】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、前記微粒子層は、その層を構成する絶縁性微粒子及び導電性微粒子がシリコーン樹脂により固着してもよい。例えば、熱硬化性のシリコーン樹脂を用いて、このシリコーン樹脂を硬化させて、前記微粒子層を形成してもよい。これにより、前記微粒子層の機械的強度が向上し、連続駆動に耐えうる電子放出素子が提供される。
また、前記微粒子層の機械的強度が向上するので、前記微粒子層上の第２電極に凹部を形成する工程（後述する、第１電極層上に第２電極層を形成する工程）の実施が容易となる。
さらに、シリコーン樹脂が撥水機能を有するので、大気中に含まれる水分子の微粒子層への付着が抑制され、水による電気抵抗の変化を抑えることができる。このため、連続して駆動しても、安定して動作する電子放出素子が提供される。
【００２１】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、前記導電性微粒子は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも１つを含む材料で構成されてもよい。例えば、第２電極層が金、銀、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを主成分とする材料で形成されるとよい。大気中の酸素による酸化などをはじめ、電子放出素子の劣化が生じにくい。このため、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が提供される。
また、前記導電性微粒子は、その粒径が３〜１０ｎｍの平均径であってもよい。これによれば、微粒子層内で絶縁破壊が起こりにくくなり、原理的には明らかでないが、弾道電子が効率よく生成される。
【００２２】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、前記絶縁性微粒子は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の少なくとも１つを含む材料で構成されてもよい。例えば、前記絶縁性微粒子は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の少なくとも１つを主成分とする材料で形成されるとよい。これら物質は、絶縁性が高いので、微粒子層の抵抗値を任意の範囲に調整できる。また、絶縁性微粒子の材料として酸化物（ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の）を用いるので、大気中で連続して駆動しても、大気中の酸素に起因する酸化が生じにくく、このため、電子放出素子の劣化を抑制できる。従って、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が提供される。
【００２３】
また、この発明の電子放出素子は、自発光デバイスにおいて、発光体とともに用いられ、電子を放出して前記発光体を発光させてもよいし、画像表示装置において、自発光デバイスとして用いられてもよい。
この発明の電子放出素子を自発光デバイス又は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、長期にわたって連続して駆動できる自発光デバイス又は画像表示装置が提供される。また、安定で長寿命な面発光を実現する自発光デバイスが提供される。
【００２４】
また、この発明の電子放出素子は、送風装置において、電子を放出して送風してもよいし、また、冷却装置において、ファンとともに用いられ、イオン風を生成してファンとともに被冷却体を冷却してもよい。
この発明の電子放出素子を、送風装置又は冷却装置に用いることにより、長期にわたって連続して駆動できる送風装置又は冷却装置が提供される。また、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質が発生しない送風装置又は冷却装置が提供される。これらの装置は、被冷却体表面でのスリップ効果を利用することにより高効率で冷却することができる。
【００２５】
また、この発明の電子放出素子は、帯電装置において、感光体とともに用いられ、電子を放出して前記感光体を帯電させてもよいし、画像形成装置において、帯電装置として用いられてもよい。
この発明の電子放出素子を、帯電装置又はこの帯電装置を備えた画像形成装置に用いることにより、長期にわたって連続して駆動できる帯電装置又は画像形成装置が提供される。これらの装置は、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質が発生しない帯電装置又は画像形成装置が提供される。
従って、これらの装置は、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。
【００２６】
また、この発明の電子放出素子は、レジストを硬化させる電子線硬化装置において、電子源として用いられ、レジストに電子を衝突させて硬化させてもよい。この発明の電子放出素子を、電子線硬化装置に用いることにより、長期にわたって連続して駆動できる電子線硬化装置が提供される。また、平面的な電子線硬化ができ、マスクレス化が図れ、低価格化・高スループット化を実現できる。
【００２７】
また、この発明の電子放出素子を電子放出装置に用いてもよい。つまり、この発明は、前記いずれか一つの電子放出素子と、第１電極と第２電極との間に電圧を印加する電源部と、を備える電子放出装置であってもよい。前記電源部は、第1電極を負極とする直流電源であってもよいし、交流電源であってもよい。長期にわたって連続して駆動できる電子放出装置が提供される。
【００２８】
なお、これらの装置、つまり、自発光デバイス、画像表示装置、送風装置、冷却装置、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置及び電子放出装置は、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が第１電極を兼用して用いられてもよい。
【００２９】
この発明の電子放出素子の製造方法は、第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備え、第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記絶縁性微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したこと電子放出素子の製造方法であって、第１電極上に開口部を有する絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上に前記開口部を埋め、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層を形成する工程と、前記微粒子層上に、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備える電子放出素子を製造できる。このため、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子の製造方法が提供される。
【００３１】
また、この発明の実施形態において、前記発明の製造方法の構成に加え、前記絶縁層を形成する工程が、紫外線硬化性及び熱硬化性のシリコーン樹脂で層を形成する工程と、前記シリコーン樹脂で形成された層に熱処理をする工程と、熱処理された層に所定の遮光パターンを備えるマスクを介して紫外線を照射する工程と、紫外線の照射後、前記シリコーン樹脂で形成された層の、前記遮光パターンにより紫外線が照射されない部分を除去する工程と、を備えてもよい。
【００３２】
この実施形態によれば、前記シリコーン樹脂が熱処理され、かつマスクを介して紫外線が照射されるので、マスクのパターンがシリコーン樹脂層の硬化度の相違として、シリコーン樹脂層に転写される。つまり、紫外線の照射された部分は、照射されなかった部分に比べて硬い膜となる。このため、紫外線照射後のシリコーン樹脂層を、例えば、柔らかいウェスで拭うことにより、紫外線が照射されない部分を選択的に除去できる。これにより、開口部を有する絶縁層を容易に形成できる。
ここで、前記紫外線が照射されない部分を除去する工程は、上記に記載のように、布（例えば、ウェス）により紫外線が照射されない部分を拭き取る工程であってもよい。
【００３３】
また、この発明の実施形態において、前記発明の製造方法の構成に加え、前記第２電極を形成する工程は、前記微粒子層上に、微粒子体を散布する工程と、前記微粒子体が散布された微粒子層上に、第１電極層を形成する工程と、前記微粒子体を除去した後に、第１電極層上に第２電極層を形成する工程と、を備える工程であってもよい。
この実施形態によれば、第２電極が、前記微粒子層側に形成された第１電極層と、前記層上に形成され前記層よりも抵抗値が高い第２電極層とで構成され、第１電極層の表面に凹部が形成された電子放出素子の製造方法が提供される。つまり、長期にわたって連続して駆動できるとともに、第２電極に均一に形成された凹部から電子が集中して放出される電子放出素子の製造方法が提供できる。
【００３４】
なお、第１電極は、絶縁性微粒子層に電圧を印加するための導体又は半導体であり、単一の構造体であっても、複数の構造体で構成された構造体であってもよい。例えば、第１電極は、金属板であってもよいし、絶縁体上に形成された金属膜（ガラス基板に形成されたアルミ膜等）であってもよい。この第１電極は、いわゆる電極基板を含む。
【００３５】
以下、この発明の実施形態および実施例について、図１〜１８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この発明の具体的な一例に過ぎず、この発明はこれらよって限定されるものではない。
【００３６】
〔実施形態１〕
図１は、この発明の電子放出素子の一実施形態煮に係る構成を示す模式図である。図１に示すように、この実施形態に係る電子放出素子１は、電極基板２と、電極基板２上に形成され、開口部を有する絶縁体薄膜５（絶縁層）と、絶縁体薄膜５上に形成された薄膜電極４と、電極基板２及び薄膜電極４と絶縁体薄膜５との間に配置された微粒子層３とを備えている。
【００３７】
この電子放出素子１は、電極基板２と薄膜電極４との間に電圧が印加されると、電極基板２から供給される電子を微粒子層３で加速させて薄膜電極４から放出させる（以下、微粒子層３を電子加速層３ともいう）。つまり、電極基板２と薄膜電極４との間の電子加速層３に電流が流れ、その一部が、印加電圧の形成する強電界により弾道電子として電子加速層３から放出され、薄膜電極４側より素子外部へと放出される。電子加速層３から放出された電子は、薄膜電極４を通過（透過）して、或いは、薄膜電極４の下層に位置する電子加速層３の表面に凹凸等の影響から生じる薄膜電極４の孔（隙間）からすり抜けて外部へと放出される。
【００３８】
電極基板２は、アルミニウムで形成されている。この電極基板２は、下部電極（図１で下方に配置された電極）であるとともに基板としての機能をもつ。つまり、電極基板２は、導電性を有する構造体（例えば、板状体）であればよく、電子放出素子を支持体する構造体であればよい。このため、電極基板２には、ある程度の強度を有し、適度な導電性を有する基板を用いる。電極基板２として、例えば、ＳＵＳやＡｌ、Ｔｉ、Ｃｕ等の金属基板、ＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板を挙げることができる。また、導電性材料で形成された電極がその表面に配置された絶縁体基板を用いてもよい（つまり、絶縁物からなる板状体の表面を導電性材料で被覆した構造体を用いてもよい）。このような基板として、例えば、表面に金属膜が形成されたガラス基板やプラスティック基板を挙げることができる。表面に電極が配置された絶縁体基板の場合、電極を後述する薄膜電極４側に配置して用いる。
【００３９】
このような電極の形成に用いる導電性材料には、導電性に優れ、マグネトロンスパッタ等を用いて薄膜が形成できる材料を選択する。電子放出素子を大気中で安定して動作させるのであれば、抗酸化力の高い導電性材料を用いるとよい。好ましくは、貴金属を用いる。また、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。また、強靭な薄膜を形成できるという点で、ＴｉとＣｕとを用いてもよい。例えば、ガラス板表面に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。
なお、電極基板２は、後述する微粒子層等を積層するため、電極基板２と直に接する層（部材）との接着性が良好である基板を選択するとよい。
【００４０】
絶縁体薄膜５は、シリコーン樹脂で形成され、電極基板２上に形成され、開口部を有している。絶縁体薄膜５は、電子放出素子を駆動する駆動電圧に対して、絶縁体として機能する材料であれば、どの様な材料で形成されてもよいが、絶縁体薄膜５が開口部を有するようにするため、パターニングできる、つまり、形状を制御できる材料を用いる必要がある。このため、絶縁体薄膜５の材料には、紫外線硬化性及び熱硬化性のシリコーン樹脂が適当である。このシリコーン樹脂には、例えば、東レ・ダウコーニング・シリコン株式会社製の室温・湿気硬化タイプのＳＲ２４１１シリコンレジンを利用する。
【００４１】
シリコーン樹脂で絶縁体薄膜５を形成する場合、以下のような工程で開口部をパターニングすればよい。まず、シリコーン樹脂を電極基板２上に塗布し、シリコーン樹脂が塗布された電極基板２をプリベークし、次いで、マスクパターン（開口部を有する電極のパターンを備えるマスク）を重ねて紫外線を所定時間照射する。これにより、シリコーン樹脂膜の膜硬化度の違いとしてパターン転写される。紫外線の照射された部分は、照射されなかった部分に比べて硬い膜となるので、紫外線照射後のシリコーン樹脂膜を柔らかいウェスで拭うことにより、紫外線未照射部のシリコーン樹脂膜を選択的に除去できる。以上のようにして、シリコーン樹脂で開口部を有する絶縁体薄膜５を形成できる。
また、絶縁体薄膜５の材料には、酸化シリコンを挙げることができる。酸化シリコンの場合、例えば、酸化シリコン膜を形成可能な、一般的なＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置あるいはスパッター装置と各種イオンエッチング処理を用いて、開口部を有する絶縁体薄膜５を形成できる。このように、シリコーン樹脂のほか、無機材料である酸化シリコンを用いてもよい。
【００４２】
また、絶縁体薄膜５は、その膜厚が５００〜１０００ｎｍで形成する。この範囲であれば、微粒子層３の形成を妨げるような段差とならず、また、絶縁性も確保できる。
【００４３】
薄膜電極４は、薄膜電極４全体から一様かつ十分な電子が放出されるように、複数の導電性膜で形成されている。図２に薄膜電極４と微粒子層４の構成を説明するための断面図を示す。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００４４】
図２に示すように、薄膜電極４は、アモルファスカーボン層７と、多孔電極層８Ａと、ベタ電極層８Ｂとにより構成され、微粒子層３上に、アモルファスカーボン層７、多孔電極層８Ａ、ベタ電極層８Ｂの順で積層されている。また、薄膜電極４は、その表面に孔部９（凹部）が形成されている。
【００４５】
アモルファスカーボン層７は、いわゆるＳＰ2混成軌道を有するグラファイト構造のクラスター（数百個程度の原子の塊）が無秩序に堆積して形成されている。グラファイト自体は電気伝導性に優れた材質であるが、クラスター間の電気伝導性が良好でない堆積された状態であるため、抵抗層として機能している。つまり、多孔電極層８Ａやベタ電極層８Ｂと比較して電気抵抗が高い。
【００４６】
また、アモルファスカーボン層７は、その層厚が約１０ｎｍで形成されている。アモルファスカーボン層７を抵抗層として機能させるには、５ｎｍ以上の膜厚で形成する。
【００４７】
多孔電極層８Ａは、金とパラジウムを主成分とする材料で形成されている。この多孔電極層８Ａの材料は、電圧の印加が可能となるような材料であればよく、多孔電極層８Ａは、例えば、金属で形成する。ただし、微粒子層３（電子加速層）内で加速されて高いエネルギーをもつようになった電子をなるべくエネルギーロスなく透過させて放出させるという電極の機能の観点から、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、形成された素子から、より多くの電子を放出することが期待できる。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、タングステン、チタン、アルミ、パラジウムなどを挙げることができる。中でも大気圧中での素子の動作を想定した場合、酸化物及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。
【００４８】
また、多孔電極層８Ａは、その表面に孔部９が形成されている。孔部９は、多孔電極層８Ａ全体に均一に分布している。一般に微粒子層３に形成される電流路は電界の集中する点で生じ易い。従って、孔部９が微粒子層３上の電極に設けられると、微粒子層３に電流路が形成されやすくなる。一方、電界の集中が限定的であると、異常な電流路が増加し、これは電気的短絡状態を引起す要因となる。逆に電界の集中が均一に分散し広く分布すると、素子の電子放出点が増加し、結果として電子放出量が増加する。このため、多孔電極層８Ａ全体に均一に孔部９を分布させると、微粒子層３に電流路が形成されやすくなるとともに、素子の電子放出量が増加することになる。このため、孔部９は、その粒径（面積）を小さく形成し、かつその数は多く配置するとよい。また、多孔電極層８Ａ全体に均一に分散して配置するとよい。
【００４９】
具体的には、孔部９の粒径は、１〜５μｍであるのが好ましく、孔部９の配置は、８００〜１２００個／ｍｍ2の密度で多孔電極層８Ａに配置するのが好ましい。粒径が１μｍ以上であれば、凹部に電界が集中して電流路を形成しやすくなり、また、粒径が５μｍ以下であれば、凹部に過大な電界が集中しにくくなる。このため、異常な電流路の形成が生じにくくなる。また、凹部の分布が８００個／ｍｍ2以上であれば、電流路がまばらでないので、面全体から十分な電子を放出することが可能となり、凹部の分布が１２００個／ｍｍ2以下であれば、第２電極面内の導電性を均一に保つことができる。このため、面全体に電流を供給しやすくなる。
【００５０】
また、孔部９は、アモルファスカーボン層７及び多孔電極層８Ａを貫通して形成され、ベタ電極層８Ｂにより被覆されている。また、孔部９で微粒子層３とベタ電極層８Ｂとが接触している。微粒子層３からベタ電極層８Ｂまでの構造に着目すると、孔部９と孔部９以外の個所とでその電気抵抗が異なり、孔部９の電気抵抗が相対的に低いので、孔部９に電流路が集中して形成され、凹部から電子がより集中して放出される。
【００５１】
このような孔部９は、微粒子体を微粒子層３上に散布し、微粒子体が散布された微粒子層３上にアモルファスカーボンからなる層と金とパラジウムからなる金属層とを積層し、その後散布された微粒子体を除去することで形成できる。このため、孔部９の形状は、上記工程で散布される微粒子体の形状に依存する。つまり、後述する薄膜電極４の作成に用いられるスパッタ法、あるいは蒸着法等による、薄膜形成方法は、この散布された微粒子体の影まで回りこんで薄膜を形成する。このことから、微粒子体の大きさは、上記孔部９の粒径より数十パーセント程度、大きなものを選択すればよい。また、微粒子体としては、シリカ微粒子を用いるのが適当である。
【００５２】
ベタ電極層８Ｂは、多孔電極層８Ａと同様に、金とパラジウムを主成分とする材料で形成された金属層で形成されている。ベタ電極層８Ｂの材料も多孔電極層８Ａの材料と同様に、電圧の印加が可能となるような材料であればよい。従って、上記で説明したように、多孔電極層８Ａと同様の材料で形成すればよい。
【００５３】
また、ベタ電極層８Ｂは、多孔電極層８Ａを覆うように構成されている。つまり、多孔電極層８Ａ表面を被覆するように形成され、孔部９もベタ電極層８Ｂにより被覆されている。薄膜電極４が電極として機能するためには、多孔電極層８Ａとベタ電極層８Ｂとからなる金属層が電極として機能する必要がある。このため、多孔電極層８Ａとベタ電極層８Ｂとあわせた層（金属層）の層厚（多孔電極層８Ａの層厚とベタ電極層８Ｂの層厚とをあわせた合計値）が１０ｎｍ以上であるとよい。１０ｎｍ以上であれば、電極として十分な導電性を確保できる。なお、この実施形態では、ベタ電極層８Ｂは２０ｎｍの膜厚で形成されている。
【００５４】
なお、薄膜電極４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ための条件として重要であり、最大膜厚部で１５〜１００ｎｍの範囲とすることが好ましい。このように、薄膜電極４は１００ｎｍ以下の膜厚で形成する必要があり、これを超える薄膜電極４では弾道電子の放出が極端に減少する。放出される弾道電子の減少は、薄膜電極４が弾道電子を吸収し又は反射することにより、微粒子層３に電子が再度捕獲されるためと考えられる。
【００５５】
また、薄膜電極４は、電極として機能すればよいので、例えば、金とパラジウムからなる金属膜のように、単一の導電性膜で形成されてもよい。また、この実施形態のように、薄膜電極４が複数の導電性膜（いわゆる積層構造）で形成されてもよい。
【００５６】
微粒子層３は、電極基板２と薄膜電極４との間に配置され、実質的に絶縁性微粒子６Ａで構成されている。具体的には、図２に示すように、微粒子層３は、電極基板２上に形成された第１微粒子層３Ａと、第１微粒子層３Ａ上に形成された第２微粒子層３Ｂとで構成されている。
【００５７】
第１微粒子層３Ａは、絶縁性微粒子６Ａ及び導電性微粒子６Ｂで構成され、絶縁性微粒子６Ａ及び導電性微粒子６Ｂは、主としてナノサイズの粒子で構成されている。
【００５８】
絶縁性微粒子６Ａは、シリカ（ＳｉＯ2）で形成されている。絶縁性微粒子６Ａの材料は、絶縁性を持つ材料であればよく、上記ＳｉＯ2のほか、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2から選ばれる材料を主成分とすればよい。より具体的には、例えば、キャボット社のフェームドシリカＣ４１３を利用できる。ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2のように絶縁性が高い材料であれば、微粒子層３の抵抗値を所望の値に調整することが容易となる。また、これらの酸化物を用いると、酸化が生じにくく素子の劣化を防止できる。
【００５９】
また、絶縁性微粒子６Ａは、その粒径が５０ｎｍの平均粒径を有する微粒子である。この絶縁性微粒子６Ａは、その平均粒径が１０〜１０００ｎｍであるものが好ましく、また、その平均粒径が１０〜２００ｎｍであるものがより好ましい。絶縁性微粒子６Ａは、粒子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の領域にその粒子径分布を有していても問題ない。従って、このような分散状態でも平均粒径が上記絶縁性微粒子の粒子径が上記平均粒径の範囲を満たせばよい。平均粒径が小さすぎると、粒子間に働く力が強いために粒子が凝集しやすく、分散が困難になる。一方、絶縁性微粒子の粒子径が大きすぎると分散性はよいものの、薄膜微粒子層の空隙が大きくなり、微粒子層の抵抗調整の調整を困難にする。このため、上記平均粒径範囲が好ましい。
【００６０】
導電性微粒子６Ｂは、銀で形成されている。導電性微粒子６Ｂは、電子放出素子が大気中で酸化して劣化することを防ぐため、貴金属を用いて形成されるとよい。例えば、上記銀のほか、金、白金、パラジウム又はニッケルを主成分とする金属材料で導電性微粒子６Ｂを形成するとよい。このような導電性微粒子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。
【００６１】
また、導電性微粒子６Ｂは、その粒径が１０ｎｍの平均粒径を有するナノ粒子である。導電性微粒子６は、第１微粒子層３Ａの導電性を制御するため、絶縁性微粒子６Ａの平均粒径よりも小さい平均粒径を有する微粒子を用いる必要がある。このため、導電性微粒子６の平均粒径は、３〜２０ｎｍであるのが好ましい。導電性微粒子６の平均粒径を、縁体微粒子５の平均粒径よりも小さくすることにより、電子加速層４内で、導電性微粒子６による導電パスが形成されず、電子加速層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、平均粒径が上記範囲内の導電性微粒子６を用いることで、弾道電子が効率よく生成される。
【００６２】
また、第１微粒子層３Ａは、絶縁性微粒子６Ａと導電性微粒子６Ｂとがシリコーン樹脂で固着されている。このため、多孔電極層８Ａに孔部９が形成されても十分な機械的強度を有する素子が形成される。また、シリコーン樹脂は撥水機能があるので、微粒子層３への水分子が付着しにくく、素子を大気中で動作させても水分子による電気抵抗の変化が生じにくい。このため、安定して動作する電子放出素子を形成できる。このシリコーン樹脂には、例えば、東レ・ダウコーニング・シリコン株式会社製の室温・湿気硬化タイプのＳＲ２４１１シリコンレジンを利用する。
【００６３】
第２微粒子層３Ｂは、絶縁性微粒子６Ａで構成されている。この絶縁性微粒子６Ａは、第１微粒子層３Ａで用いている絶縁性微粒子６Ａと同じ微粒子を用いている。このように、第２微粒子層３Ｂで用いる絶縁性微粒子６Ａは、第１微粒子層３Ａのそれと同じ微粒子を用いればよい。
【００６４】
また、第２微粒子層３Ｂは、絶縁性微粒子６Ａと絶縁性微粒子６Ａとがシリコーン樹脂で固着されている。このシリコーン樹脂も第１微粒子層３Ａと同じものである。このため、機械的強度と水分子付着について、上記で説明した効果と同様の効果が第２微粒子層３Ｂでも得られる。
【００６５】
なお、この実施形態では、第１微粒子層３Ａと第２微粒子層３Ｂとに、シリコーン樹脂を用い、微粒子間を固着しているが、いずれかの層にのみ用いてもよい。この場合、シリコーン樹脂を用いた層で、機械的強度と水分子付着について、上記で説明した効果が得られる。
【００６６】
微粒子層３は、その層厚が１２００ｎｍで形成され、第１微粒子層３Ａは７００〜８００ｎｍ、第２微粒子層３Ｂは、４００〜５００ｎｍで形成されている。微粒子層３は、層厚を均一にし、層厚方向に一様な抵抗となるようにするため、微粒子層３は、その層厚を３００〜４０００ｎｍにするとよい。微粒子層３は、電子を加速させる層としての機能から、第１微粒子層３Ａのみの構成であってもよいので、第１微粒子層３Ａと第２微粒子層３Ｂとをあわせた層厚で管理すればよい。
【００６７】
なお、微粒子層３は第１微粒子層３Ａのみで構成されてもよいが、この実施形態のように、微粒子層３が第１微粒子層３Ａと第２微粒子層３Ｂとで構成されるとよい。つまり、微粒子層３の層厚と比べてその表面の凹凸があまりに大きいと、表面形状から生じる電界異常が生じ、電流集中が発生する。また長期間の素子への通電でも、微粒子層３に偶発的な電流集中点が生じてしまう。これら問題を回避するため、微粒子層３を第１微粒子層３Ａと第２微粒子層３Ｂとで構成して微粒子層３表面の凹凸を緩和するとよい。なお、微粒子層３はその層厚が小さいほうがよいが、若干の厚膜化は上記問題には有用である。
【００６８】
微粒子層３は、絶縁体薄膜５上に形成され、絶縁体薄膜５と薄膜電極４との間に配置されている。また、微粒子層３は、絶縁体薄膜５の開口部において、基板電極２と絶縁体薄膜との間に配置されている。微粒子層３の微粒子（絶縁性微粒子６Ａ及び導電性微粒子６Ｂ）は、絶縁体薄膜５の開口部を埋めている。これらの位置関係を図３に示す。
【００６９】
図３は、電子放出素子の絶縁層の平面的な形状を説明するための模式図であり、絶縁体薄膜５の形状を示すとともに微粒子層３及び薄膜電極３との位置関係を示している。この図は、絶縁体薄膜５の形状及び位置を示すために、絶縁体薄膜５の表面で、絶縁体薄膜５と微粒子層３とを切り離した状態となっている。図３において、絶縁体薄膜５上の破線は、薄膜電極４の電極端部を絶縁体薄膜５に投影したときの電極端部の投影線５Ｂ、つまり薄膜電極４の外形の投影線５Ｂである。
【００７０】
図３に示すように、絶縁体薄膜５は開口部５Ａを有し、この開口部５Ａを挟んで基板電極３と薄膜電極４とが対向し、薄膜電極４は、その電極端部が絶縁性と重なるように配置されている。つまり、絶縁体薄膜５の開口部５Ａの端面と薄膜電極の電極端面との間に所定の距離が設けられ、薄膜電極４は、絶縁体薄膜５の開口部５Ａよりも大きく、微粒子層３を挟んで開口部５Ａを覆うように配置されている。
【００７１】
絶縁体薄膜５は、薄膜電極４の端部で生じる電界集中（電流集中）から微粒子層３を保護するため、電極基板２を覆うように形成される（つまり薄膜電極４の端部を被覆する）。この実施形態の場合、薄膜電極４の端部を覆うために、絶縁体薄膜５の領域に該当する基板電極３の全面が、絶縁体薄膜５により覆われている。
【００７２】
一方、電子放出素子として機能するためには微粒子層３に電流を流す必要がある。このため、絶縁体薄膜５の一部が開口している。つまり電子放出点に該当する箇所を切り欠いている。そして、この切り欠いた個所、つまり微粒子層３の開口部５Ａで、基板電極３が微粒子層３に接し、薄膜電極４が微粒子層３を介して開口部５Ａを覆うように配置されている。図３における電極端部の投影線５Ｂを用いて説明すると、開口部５Ａは、投影線５Ｂで囲まれた領域よりも内側に配置されている。（薄膜電極４の端部は、絶縁体薄膜５の上方で開口部５Ａの端部とずれた位置に配置され、絶縁体薄膜５と重なっている。）
このように配置することにより、絶縁体薄膜５は、薄膜電極４の端部が微粒子層３に形成される電界の集中を緩和し、異常な電流集中の発生が抑制されることになる。つまり、次のようなメカニズムにより、第２電極の端部と第１電極との間の微粒子層に不均一な電界が生じないと考えられる。
【００７３】
電極基板２と薄膜電極４との間に電圧を印加すると、微粒子層３（電子加速層）内に電流路が形成され、その一部の電荷が印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって、薄膜電極４側より放出される。微粒子層３内部での弾道電子の発生機構については、現時点でも多くの不明な点を残すが、素子表面から放出される電子は、微粒子層３内部に形成された電流路を伝導する電荷の一部を、微粒子層３内に局所的に形成された高電界部にて加速させ、ホットエレクトロン（弾道電子）となって空間に飛び出すものと理解されている。微粒子層３を構成する微粒子層間で放出された電子は、微粒子層３内に形成された電界に沿って弾性衝突を繰り返しながら進み、その一部が表面の薄膜電極を透過あるいは電極の隙間からすり抜けて、素子表面から出てくるものと考えられる。
【００７４】
この時、電極基板２と微粒子層３との間に絶縁体薄膜５を有する部分は、たとえ微粒子層３が電極基板２と薄膜電極３とに挟まれた構成となっていても、絶縁体薄膜５の電気的絶縁作用によって電流を流さない。また、電極基板２と微粒子層３との間に絶縁体薄膜５のない部分では、微粒子層３に両電極の電位差から生じる均一な電場が生じ、微粒子層３内に電流が流れてその一部をホットエレクトロンとして空間に放出する。一方、薄膜電極３端部と電極基板２に挟まれた微粒子層３には、不均一に集中した電場を生じるが、その電気力線に沿った通り道には、形状制御された絶縁体薄膜５(誘電体薄膜)が存在するため、その電気的絶縁作用によって電場は緩和され、電流を流すことはない。このため、従来であれば微粒子層３に不均一な電界を形成して電流が集中しやすい薄膜電極４端部の直下には、電流路が形成されず、長期の通電時間が経過しても、その状態は変化しない。また、薄膜電極２の開口部５Ａに該当する部分から電極基板４に流れる電流は、長期の通電時間が経過しても、特定の部分に偏在することなく流れ続け、面全体からの電子放出が維持される。
【００７５】
なお、図３において、開口部５Ａにも微粒子層３が配置される（図示せず）。この実施形態では、絶縁体薄膜５側（電極基板２側）に第１微粒子層３Ａが配置されているので、開口部５Ａは、絶縁性微粒子６Ａ及び導電性微粒子６Ｂで埋められている。
【００７６】
また、この電子放出素子は、電極基板２と薄膜電極３とが電源７に接続されて用いられる。図１に示すように、電子放出素子１と、電極基板２と薄膜電極３とに接続された電源７とを備える電子放出装置を構成してもよい。
【００７７】
〔製造方法〕
次に、実施形態１に係る電子放出素子１の製造方法について説明する。
まず、電極基板２上に開口部を有する絶縁体薄膜５を形成する。
電極基板２に紫外線硬化性及び熱硬化性のシリコーン樹脂を塗布し（例えば、スピンコート法）、シリコーン樹脂が塗布された電極基板２をプリベークする（例えば、２００℃。低硬度硬化処理ともいう）。次に、開口部及び形状パターンがクロムで描画されたマスク（石英薄板）をプリベークされた電極基板２に、重ねて、電極基板２に紫外線を照射する（波長１７２ｎｍ）。これにより、マスクに描画された所望のパターンはシリコーン樹脂膜の膜硬化度の違いとしてパターン転写される。つまり、紫外線の照射された部分は、照射されなかった部分に比べて硬い膜となる。次に、紫外線が照射された電極基板２の表面を布（例えば、柔らかいウェス）で拭う。これにより、紫外線未照射部のシリコーン樹脂膜だけを選択的に除去できる。なお、開口部を有する絶縁体薄膜５は、上記製造方法のほか、インクジェット印刷法やフォトリソグラフィ法により形成できる。例えば、酸化シリコン膜をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置又はスパッタ装置で形成し、形成された酸化シリコン膜を、各種イオンエッチング処理を用いて部分的に除去してもよい。
【００７８】
次いで、絶縁体薄膜５上に微粒子層（微粒子層３Ａ及び微粒子層３Ｂ）を形成する。
まず、微粒子層３Ａの材料となる分散液Ａと微粒子層３Ｂとなる分散液Ｂを作成する。分散液Ａは、溶媒に、絶縁性微粒子と導電性微粒子を順に投入し、超音波分散器にかけて分散させて作製する。また、分散液Ｂは、溶媒に、絶縁性微粒子とシリコーン樹脂溶液を順に投入し、超音波分散器にかけて分散させて作製する。ここで分散溶媒は、それぞれの材料の分散したスラリーを形成出来るものであれば、特に制限はない。例えば、分散溶媒としては、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン等を用いることができる。なお、分散法は、超音波分散器に限られず、超音波分散器以外の方法で分散させてもよい。
次に、開口部を有する絶縁体薄膜５が形成された電極基板２上に分散液Ａを塗布して（例えば、スピンコート法）微粒子層３Ａを形成する。分散液Ａを塗布した後、ベーク処理して溶媒を蒸発させる。電極基板２表面全体に塗布し、絶縁体薄膜５上のみならず開口部５Ａも分散液Ａを塗布する。ここで、分散液の塗布は、スピンコート法以外に、例えば、滴下法、スプレーコート法、噴霧法、インクジェット法等の方法を利用できる。スピンコート法やこれらの方法による塗布、乾燥を繰り返すことにより、所望の膜厚を有する微粒子層３Ａを形成できる。
次に、微粒子層３Ａが形成された電極基板２に、分散液Ａの場合と同様にして、微粒子層３Ｂを形成する。この時、分散液Bに含まれるシリコーン樹脂成分は、微粒子層３Aにも浸透し、結果的に微粒子層３Aを構成するそれぞれの微粒子をシリコーン樹脂で結着（固着）する事に成る。分散液Ｂ塗布後には、再びベーク処理を行う。
【００７９】
次いで、微粒子層上に薄膜電極４を形成する。薄膜電極４は、アモルファスカーボン層７及び多孔電極層８Ａ並びにベタ電極層８Ｂで構成され、次のように形成する。
まず、孔部９を形成するため、遮蔽体として機能する球形遮蔽体を溶媒に分散せて、分散液Ｃを作製し、分散液Ｃを微粒子層が形成された電極基板２上に塗布する。溶媒が蒸発することにより、球形遮蔽体が微粒子層上に均一に散布されることになる。
次に、薄膜電極４の形状の開口パターンを有するマスクを、球形遮蔽体が散布された電極基板２に重ね、スパッタ法にて、アモルファスカーボン層７、金属材料の薄膜層８Ａを続けて成膜する。ここで、スパッタのターゲットには、金、銀、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウム等を用いる。
次に、成膜された電極基板２の表面に対してドライエアーをブローして、球形遮蔽体を除去する。これにより、多孔電極層８Ａが完成する。
次に、薄膜電極４の形状の開口パターンを有するマスクを重ねたまま、多孔電極層８Ａが形成された電極基板２全面に、スパッタ法にて金属材料の薄膜を成膜する。成膜後マスクを取り除く。これにより、ベタ電極層８Ｂが完成する。
以上の工程により、実施形態１に係る電子放出素子が完成する。
次に、薄膜電極４の構造と、その効果について行った実験結果について説明する。
【００８０】
（実施例１）
まず、電子放出素子１の詳細な作成条件について説明する。
始めに、開口部及び所定の形状を有する絶縁体薄膜５を作成する。
１０ｍＬの試薬瓶にｎ−ヘキサン溶媒を０．７ｇ入れ、次にシリコーン樹脂溶液を０．３５ｇ投入する。手振りで撹拌し、シリコーン樹脂の希釈溶液を得る。ここでシリコーン樹脂は、室温・湿気硬化タイプのＳＲ２４１１シリコンレジン（東レ・ダウコーニング・シリコン株式会社）である。
【００８１】
電極基板２として、２４ｍｍ角のアルミ製基板を準備し、上記シリコーン樹脂の希釈溶液を滴下後、スピンコート法を用いて、基板全面にシリコーン樹脂層を形成した。スピンコート法による成膜条件は、５００ＲＰＭにて１秒間回転している間に、上記希釈溶液を基板表面へ滴下し、続いて３０００ＲＰＭにて１０秒間の回転を行うこととした。このアルミ基板を２００℃のホットプレートを用いて１５分間加熱・硬化処理を行った。
【００８２】
この基板へ石英薄板にクロムでパターン描画されたマスクパターンを重ね、波長１７２ｎｍの真空紫外線を１５分間照射する。クロムマスクのパターンは、１．４ｍｍ角の正方形の形状である。紫外線照射後、マスクに描画されたパターンはシリコーン樹脂膜の膜硬化度の違いとしてパターン転写される。紫外線の照射された部分は、照射されなかった部分に比べて硬い膜となる。真空紫外の光源には、誘電体バリア放電エキシマランプ（ウシオ電機株式会社）が用いられている。
この紫外線照射後の基板表面を柔らかいウェスで拭うことで、紫外線未照射部のシリコーン樹脂膜だけ除去し、１．４ｍｍ角のシリコーン樹脂膜の窓（アルミ基板表面の露出部）が形成された。
【００８３】
次に、微粒子層（電子加速層）３を形成する。
１０ｍＬの試薬瓶にｎ−ヘキサン溶媒を１．５ｇ入れ、絶縁性微粒子として０．２５ｇのシリカ粒子を投入し、同様に試薬瓶を超音波分散器にかけて分散させた。ここでシリカ微粒子は、平均粒子径５０ｎｍのフュームドシリカＣ４１３（キャボット社）であり、表面はヘキサメチルシジラザン処理されている。５分間分散器にかけることで、シリカ微粒子はヘキサン溶媒に乳白色に分散した。次に、導電性微粒子として０．０６ｇの銀ナノ粒子を投入し、同様に超音波分散処理を行った。この銀ナノ粒子はアルコラートの絶縁被覆を有した平均粒子径１０ｎｍのもの（応用ナノ研究所）である。ここで得られたものを分散液Ａとする。同様に、１０ｍＬの試薬瓶にｎ−ヘキサン溶媒を１．５ｇ入れ、絶縁性微粒子として０．２５ｇのフュームドシリカＣ４１３のシリカ粒子を投入し、同様に試薬瓶を超音波分散器にかけて分散させた。次に、シリコーン樹脂溶液を０．０３６ｇ投入し、同様に超音波分散処理を行った。このシリコーン樹脂は、室温・湿気硬化タイプのＳＲ２４１１シリコンレジン（同上）とした。ここで得られたものを分散液Ｂとする。
【００８４】
シリコーン樹脂膜の窓（アルミ基板表面の露出部）が形成された電極基板２表面に分散液Ａを滴下し、スピンコート法を用いて第１微粒子層３Ａを形成した。第１微粒子層３Ａが形成された基板は、１５０℃のホットプレートを用いて１分間加熱乾燥させた。さらに、分散液Ｂを用いて同様に成膜して第２微粒子層３Ｂを形成した。第２微粒子層３Ｂが形成された基板は、１５０℃のホットプレートを用いて１分間加熱乾燥させた。
スピンコート法による成膜条件は、５００ＲＰＭにて１秒間回転している間に、上記分散液を基板表面へ滴下し、続いて３０００ＲＰＭにて１０秒間の回転を行うこととした。
【００８５】
続いて薄膜電極４を作成する。
１０ｍＬの試薬瓶にエタノール溶媒を１．０ｇ入れ、球形遮蔽体として０．１ｇのシリカ粒子を投入し、超音波分散器用いてにかけて５分間分散させた。ここでシリカ微粒子は、平均粒子径８μｍのフュームドシリカＳＥ−５Ｖ（株式会社トクヤマ）であり、表面はアミノシラン処理に加えてヘキサメチルシジラザン処理されたものである。ここで得られた分散液を分散液Ｃとする。
微粒子層３の形成されたアルミ製の電極基板２に、分散液Ｃを滴下し、スピンコート法を用いて球形遮蔽体を均一に散布させた。散布後の基板は、１５０℃のホットプレートを用いて１分間加熱し、溶媒を蒸発させた。
その後、薄膜電極４の形状を模ったメタルマスク（２．０ｍｍ角の正方形の形状）を、球形遮蔽体の散布された電極基板２に重ねた。この時、先に成膜した絶縁体薄膜５の窓（アルミ基板表面と電子加速層３が直接積層された部分）の中心と、メタルマスクの中心を一致させ、メタルマスクの端部と絶縁体薄膜５の窓部を構成する端部とが、各辺で０．３ｍｍ離れるようにアライメント調整を行った。
【００８６】
メタルマスクを固定した後、抵抗過熱式蒸着機を用いてカーボン膜を蒸着し、続けてスパッタ装置を用いて、金、パラジウムターゲット（Ａｕ―Ｐｄ）を使用して成膜し、多孔電極層８Ａの元と成る電極膜が得た。α−カーボン膜７の膜厚を１０ｎｍ、金パラジウムの電極膜の膜厚を２０ｎｍとした。
続いて、ドライエアーを用いて上記電極膜表面をブローして球形遮蔽体を除去した。これにより多孔電極層８Ａが得られた。
【００８７】
図５は、球形遮光体をブローした段階での金パラジウム金属膜表面のＳＥＭ写真である。図５で白丸で囲んだ部分が、球形遮蔽体が存在してα−カーボン膜７及び金属薄膜８が積層されなかった部分である。多孔化処理された孔部９の大きさは、直径４．５μｍ、その分散の程度は、９３０個／ｍｍ2であった。
【００８８】
最後に、メタルマスクを先程と同じ位置に設置し、球形遮蔽体の無くなった多孔積層電極層４−１の全面に、金、パラジウムターゲット（Ａｕ―Ｐｄ）を使用して金属材料のみから成るベタ電極層８Ｂを成膜した。ベタ電極層８Ｂの膜厚は２０ｎｍとした。
【００８９】
図４に、電子放出実験に用いた測定系を示す。図４の測定系では、電子放出素子１の多孔化処理された薄膜電極４側に、絶縁体スペーサ１３（径：１ｍｍ）を挟んで対向電極１２を配置させる。そして、電子放出素子１の電極基板２と薄膜電極４との間には、電源６ＡによりＶ１の電圧が印加され、対向電極１２には電源６ＢによりＶ２の電圧が印加されるようになっている。薄膜電極４と電源６Ａとの間を流れる電流Ｉ１を素子内電流、対向電極１２と電源６Ｂとの間に流れる電流Ｉ２を電子放出電流として測定する。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。
【００９０】
比較実験として、電極の多孔化処理をせずに金パラジウムのみで膜厚４０ｎｍとした素子（薄膜電極４がベタ金属層のみで構成される比較例１）、電極の多孔化処理をせずにα−カーボン膜を膜厚１０ｎｍ積層後、金パラジウム膜を膜厚４０ｎｍ積層した素子（薄膜電極４がアモルファスカーボン層とベタ電極層とで構成される比較例２）を作成し、電圧電流特性を計測した。
【００９１】
図６及び図７に、実施例並びに比較例１及び比較例２の素子内電流Ｉ１及び電子放出電流Ｉ２の測定結果を示す。図６及び７において、「（１）Ａｕ−Ｐｄ膜のみ」が比較例１、「（２）（Ｃ膜＋Ａｕ−Ｐｄ膜）ベタ膜」が比較例２、「（３）（Ｃ膜＋Ａｕ−Ｐｄ膜）多孔膜＋Ａｕ−Ｐｄ膜」が実施例に、それぞれ対応している。
【００９２】
図６は、電子放出素子１の素子内電流Ｉ１〔単位：Ａ/ｃｍ2〕の測定結果である。印加電圧Ｖ１は、０〜１４あるいは１６Ｖまで段階的に上げ、印加電圧Ｖ２は１００Ｖとした。薄膜電極４を多孔化することなしに、金パラジウム膜のみで作成した素子（比較例１）の素子内電流Ｉ１を基準に見ると、α−カーボン膜を積層することで素子内電流Ｉ１が減少することから、α−カーボン膜は抵抗層として機能している事実が分かる（比較例２）。一方、薄膜電極４を上記記載通りの多孔化膜として形成した素子（実施例１）では、素子内電流Ｉ１が増加し薄膜電極４の孔部９を基点とした電流路の形成が十分機能している。
【００９３】
図７は、図６の計測と同時に行った、電子放出素子１の電子放出電流Ｉ２〔単位：Ａ/ｃｍ2〕の測定結果である。上記と同様に、薄膜電極４を多孔化することなしに、金パラジウム膜のみで作成した素子（比較例１）の電子放出電流Ｉ２を基準に見ると、α−カーボン膜を積層することで電子放出電流Ｉ２が減少している（比較例２）。これは素子内電流Ｉ１の減少に引きずられた結果である。同様に、薄膜電極４を上記記載通りの多孔化膜として形成した素子（実施例１）では電子放出電流Ｉ２が増加している。これは、薄膜電極４の孔部９の形成が、電子放出量の増加に優位なことを示している。
【００９４】
次に、絶縁体薄膜５の効果について行った実験結果について説明する
電子放出素子１は上記の作成条件に従い、さらに、絶縁体薄膜５の有無のみを変えて素子を作成した（絶縁体薄膜５を備える素子が実施例１、絶縁体薄膜５を備えない素子が比較例３である）。そして、作製された素子を真空中にて連続駆動して、素子表面を観察した。結果を図８及び図９に示す。
【００９５】
図８は、絶縁体薄膜５を積層しない素子（比較例３）を、真空中にて連続駆動した前後の素子表面の拡大写真である。
図８の（１）は、電子放出素子１の動作前における素子表面の拡大写真である。破線で囲った部分は、薄膜電極４の形状を示している。（この実験のみ、薄膜電極４の形状は、１．４Ｘ１．０ｍｍ2角の長方形の形状をしている。）図８の（２）は、電子放出素子１を２０時間連続通電した後の、素子表面の拡大写真である。
【００９６】
図８の（１）及び（２）を参照すると、連続通電をすると、薄膜電極４端部に集中して、黒色変化が生じている。黒色変化は炭素の堆積であることが元素分析結果から確認されている。この現象は、ＳＥＭ等の電子ビームプローブを利用した試料表面の計測装置で生じるコンタミネーション膜として知られている。つまり、計測空間の残留ガス、或いは試料からの放出ガス等が、電子ビームのエネルギーによりハイドロカーボン主体として重合、堆積するのである。この物理現象から推察すると、図８の（２）に示された電子放出素子１は、結果的に薄膜電極４の端部のみから電子放出していたと判断できる。その理由は前述の通り、薄膜電極４端部への電流集中である。
【００９７】
図９は、絶縁体薄膜５を積層した素子を、真空中にて連続駆動した前後の素子表面の拡大写真である。図９における破線で囲った部分は、薄膜電極４の形状を示している。
図９の（１）は、電子放出素子１の動作前における素子表面の拡大写真であり、図９の（２）は、電子放出素子１を２０時間連続通電した後の、素子表面の拡大写真である。
【００９８】
図９を参照すると、図８とは異なり、絶縁体薄膜５の端部に集中した黒色変化は見られない。それ故、電子放出素子１の連続通電に伴う、絶縁体薄膜５端部への電流集中が抑制されたと結論付けられる。
【００９９】
図１０は、図９に示された電子放出素子１を、真空中で駆動したときの電子放出電流Ｉ２の経時変化を示す結果である。図４に示された電子放出実験に用いた測定系のパラメータは、次の通りである。絶縁体スペーサ１３の径は１ｍｍであり、電子放出素子１の駆動電圧であるＶ１を１４．５Ｖ、対向電極１２のＶ２は１５０Ｖとした。
図１０を参照すると、真空中での安定した電子放出特性が得られていることがわかる。
【０１００】
図１１は、図９に示された電子放出素子１を、大気圧中（湿度を１％ＲＨ以下に制御した室内雰囲気を使用）で駆動したときの電子放出電流Ｉ２の経時変化を示す結果である。図４に示された電子放出実験に用いた測定系のパラメータは、次の通りである。絶縁体スペーサ１３の径は１３０μｍであり、電子放出素子１の駆動電圧であるＶ１を１７．０Ｖ、対向電極１２のＶ２は６００Ｖとした。
図１１を参照すると、大気圧中の室内雰囲気下においても、安定した電子放出特性が得られていることがわかる。
【０１０１】
〔絶縁層の変形例〕
図１２は、この発明の実施形態１に係る絶縁体薄膜（絶縁層）の変形例の構成を示す模式図である。
図１２に示すように、絶縁体薄膜５は、第１微粒子層３Ａと第２微粒子層３Ｂとの間に形成され、電極基板２及び薄膜電極４と対向して配置されてもよい。この場合、第１微粒子層３Ａ上に絶縁体薄膜５が形成され、絶縁体薄膜５上に第２微粒子層３Ｂが形成されるとともに、絶縁体薄膜５の開口部に第２微粒子層３Ｂが配置される。絶縁体薄膜５の形状及び平面的な配置は実施形態１と同様に構成される。
絶縁体薄膜５をこのように配置しても、絶縁体薄膜５は、薄膜電極４の端部が微粒子層３に形成される電界の集中を緩和し、このため、異常な電流集中の発生が抑制することができる。
【０１０２】
〔実施の形態２〕
図１３に、この発明の実施形態に係る帯電装置９０及び画像形成装置の一例を示す。
帯電装置９０は、実施形態１の電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とで構成され、感光体ドラム１５の表面を帯電させる装置として用いられる。（この構成は、上記で説明した電子放出装置１０と同じである。）ものである。
また、画像形成装置は、帯電装置９０を備え、帯電装置９０における電子放出素子１は、被帯電体である感光体ドラム１５に対向して配置されている。電子放出素子１に電圧を印加することにより、電子を放出させ、感光体ドラム１５の表面を帯電させる。
なお、この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、感光体ドラム１５の表面から、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置するのが好ましい。
【０１０３】
帯電装置９０として用いられる電子放出装置１０は、長期にわたって連続して駆動できるので、従って帯電装置９０は、長時間安定して用いることができる。また、このような帯電装置９０を有する画像形成装置も長時間安定して用いることができる。
【０１０４】
さらに帯電装置９０として用いられる電子放出装置１０は、面電子源として構成されるので、感光体ドラム１５の回転方向へも幅を持って帯電を行え、感光体ドラム１５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。
【０１０５】
〔実施の形態３〕
図１４に、この発明の実施形態に係る電子線硬化装置１００の一例を示す。電子線硬化装置１００は、実施形態１に係る電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とを有する電子放出装置１０と、電子を加速させる加速電極２１とを備えている。電子線硬化装置１００では、電子放出素子１を電子源とし、放出された電子を加速電極２１で加速してレジスト２２へと衝突させる。一般的なレジスト２２を硬化させるために必要なエネルギーは１０ｅＶ以下であるため、エネルギーだけに注目すれば加速電極は必要ない。しかし、電子線の浸透深さは電子のエネルギーの関数となるため、例えば厚さ１μｍのレジスト２２を全て硬化させるには約５ｋＶの加速電圧が必要となる。
【０１０６】
従来からある一般的な電子線硬化装置は、電子源を真空封止し、高電圧印加（５０〜１００ｋＶ）により電子を放出させ、電子窓を通して電子を取り出し、照射する。この電子放出の方法であれば、電子窓を透過させる際に大きなエネルギーロスが生じる。また、レジストに到達した電子も高エネルギーであるため、レジストの厚さを透過してしまい、エネルギー利用効率が低くなる。さらに、一度に照射できる範囲が狭く、点状で描画することになるため、スループットも低い。
これに対し、電子放出装置１０を用いたこの発明に係る電子線硬化装置は、大気中で動作可能であるため、真空封止の必要がない。また、電子放出装置１０は、大気中でも長期にわたって連続して駆動できるので、電子線硬化装置も長時間安定して用いることができる。さらに、電子放出素子１は電子放出効率が高いため、電子線硬化装置は、効率よく電子線を照射できる。また、電子透過窓を通さないのでエネルギーのロスも無く、印加電圧を下げることができる。面電子源であるためスループットが格段に高くなる。また、パターンに従って電子を放出させれば、マスクレス露光も可能となる。
【０１０７】
〔実施の形態４〕
図１５〜図１８に、この発明の実施形態に係る自発光デバイスの例をそれぞれ示す。
図１５に示す自発光デバイス３１は、実施形態１に係る電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とを有する電子放出装置と、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、および蛍光体３２が積層構造を有する発光部３６と、から成る。
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、この実施形態では１５０ｎｍとした。
【０１０８】
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。
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の電極基板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。
【０１０９】
図１６に示す自発光デバイス３１’は、実施形態１に係る電子放出素子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。
【０１１０】
図１７に示す自発光デバイス３１”は、実施形態１に係る電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７を有する電子放出装置１０を備え、さらに、電子放出素子１の電子加速層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６Ａ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６Ａ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６Ａ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６Ａとして球状シリカ粒子（平均径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。
【０１１１】
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。電子放出素子１は、長期にわたって連続して駆動できるので、自発光デバイス３１，３１’，３１”も長時間安定して用いることができる。なお、自発光デバイス３１，３１’，３１”は、電子放出装置１０が大気中で電子を放出できるため、大気中動作可能であるが、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。
【０１１２】
さらに、図１８に、この発明の実施形態に係る画像表示装置の一例を示す。図１８に示す画像表示装置１４０は、図１７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。
【０１１３】
また、この発明の実施形態に係る画像表示装置として、図１５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。
〔実施の形態５〕
【０１１４】
図１９及び図２０に、この発明の実施形態に係る送風装置の例をそれぞれ示す。以下では、この実施形態に係る送風装置を、冷却装置として用いた場合について説明する。しかし、送風装置の利用は冷却装置に限定されることはない。
図１９に示す送風装置１５０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とを有する電子放出装置１０からなる。送風装置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。
【０１１５】
図２０に示す送風装置１６０は、図１９に示す送風装置１５０に、さらに、送風ファン４２が組み合わされている。図２０に示す送風装置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。
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、従来の送風装置あるいは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、この発明に係る送風装置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。さらに、電子放出素子１は電子放出効率が高いため、送風装置１５０，１６０は、より効率よく冷却することができる。送風装置１５０および送風装置１６０は、大気中動作も可能である。
【０１１６】
この発明は上述した各実施形態および実施例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この発明の技術的範囲に含まれる。例えば、第１微粒子層と第２微粒子層は入れ替えてたとしても、実施形態１の電子放出素子に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
この発明に係る電子放出素子は、長期にわたって連続して駆動できる。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】
【０１１８】
１ 電子放出素子
２ 電極基板（第１電極）
３ 電子加速層 （微粒子層）
３Ａ 第１微粒子層
３Ｂ 第２微粒子層 （絶縁体微粒子層）
４ 薄膜電極（第２電極）
５ 絶縁体薄膜（絶縁層）
５Ａ 開口部
５Ｂ 薄膜電極外形の投影線 （薄膜電極端部の投影線）
６ 微粒子
６Ａ 絶縁性微粒子
６Ｂ 導電性微粒子
７ アモルファスカーボン層 α−カーボン膜（第１電極層）
８Ａ 多孔電極層 （第２電極層）
８Ｂ ベタ電極層 （第２電極層）
９ 孔部 （凹部）
１０ 電子放出装置
１１ 電源
１２ 対向電極
１３ 絶縁性スペーサ
１５ 感光体ドラム
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（発光体）
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
９０ 帯電装置
１００ 電子線硬化装置
１４０ 画像表示装置
１５０ 送風装置
１６０ 送風装置
３３０ 液晶パネル
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子放出素子及びその製造方法に関する。
【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）の分野への応用が期待されている。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。
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、強電界により電子放出素子の表面方向に加速衝突し、スパッタリングによる電子放出素子の破壊が生じるという問題がある。
また、大気中にある酸素は、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を発生する。オゾンは人体に有害である上に、強い酸化力にて様々なものを酸化することから、電子放出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する。このような問題に対処するためには、周辺部材に耐オゾン性の高価な材料を用いなければならない。
【０００３】
一方、上記の問題に対し、スパッタリングによる素子の破壊を防止し、オゾンの発生を抑制する技術として、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。これらは電子放出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り、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。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。
【０００４】
また、上記の問題に対し、大気中でも安定した電子放出を可能とし、電子放出に伴うオゾンやＮＯX等の有害物質の発生を抑制できる電子放出素子が開発されている。例えば、電極間に、導電体からなり抗酸化作用が強い導電性微粒子と、上記導電性微粒子の大きさよりも大きい絶縁体物質とが含まれる電子加速層が設けられた電子放出素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
ところで、電子放出素子は、電子放出に伴うオゾンやＮＯX等の有害物質の発生を抑制できるものの、連続して駆動できない場合がある。つまり、電極の一部に不均一な電界が生じて電子加速層の一部に電界が集中する場合があり、このような電界の集中を放置して連続駆動すると、通電時間の経過とともに、より電流の流れ易い前記一部に電流の集中を引き起こし、場合によっては絶縁破壊に至り、この結果、素子に電圧がかからなくなる。このため、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が望まれている。
【０００７】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によれば、第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備え、第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したことを特徴とする電子放出素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の発明者らは、第１及び第２の電極間に、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第1電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第1及び第2電極と前記絶縁層との間及び前記開口部を埋め、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備えると、第1及び第2の電極間の前記微粒子層に流れる電流が、長期の時間を経ても、特定の部分に偏在して流れないことを見出し、この発明の完成に至った。この発明によれば、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施形態１に係る電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】この発明の実施形態１に係る電子放出素子の絶縁層の平面的な形状を説明するための模式図である。
【図４】電子放出実験の測定系を示す図である。
【図５】実施例１の球形遮光体をブローした段階での金パラジウム金属膜（多孔電極層）表面のＳＥＭ観察像を示す図である。
【図６】実施例１並びに比較例１及び２の素子内電流を測定した結果を示す図である。
【図７】実施例１並びに比較例１及び２の電子放出電流を測定した結果を示す図である。
【図８】比較例３を真空中で連続駆動する前と連続駆動した後の、電子放出素子の薄膜電極表面を観察した結果を示す図である。
【図９】実施例１を真空中で連続駆動する前と連続駆動した後の、電子放出素子の薄膜電極表面を観察した結果を示す図である。
【図１０】実施例１を真空中で駆動したときの電子放出電流の経時変化を示す図である。
【図１１】実施例１を大気中（湿度１％RH以下）で駆動したときの電子放出電流の経時変化を示す図である。
【図１２】この発明の実施形態１に係る絶縁層の変形例の構成を示す模式図である。
【図１３】この発明の電子放出素子を用いた帯電装置及び画像形成装置の一例を示す図である。
【図１４】この発明の電子放出素子を用いた電子線硬化装置の一例を示す図である。
【図１５】この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１６】この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１７】この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１８】この発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスを備える画像表示装置の他の一例を示す図である。
【図１９】この発明に係る電子放出素子を用いた送風装置の一例を示す図である。
【図２０】この発明に係る電子放出素子を用いた送風装置（冷却装置）の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この発明の電子放出素子は、第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備え、第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、第１電極と第２電極との間に開口部を有する絶縁層が設けられ、前記開口部を挟んで第１電極と第２電極とが対向するとともに、第２電極の一部が前記絶縁層と重なるように配置されているので、第２電極の一部と第１電極との間の微粒子層に不均一な電界が生じない。このため、長時間にわたって電子放出素子を駆動しても微粒子層の一部に電界が集中せず、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が提供される。
【００１３】
ここで、前記絶縁層は、第１電極と第２電極との間に設けられ、前記微粒子層は、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に設けられる。例えば、前記絶縁層は、第１電極に接して形成されるか、また、第１及び第２電極との間に対向して配置されてもよい。前記絶縁層が第1電極と接して形成される場合、前記微粒子層が第２電極と絶縁層との間に配置され、かつ第１電極と第２電極との間及び前記開口部に配置されてもよい。また、前記絶縁層が第１及び第２電極との間に対向して配置される場合、前記微粒子層が第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置されてもよい。（この場合、前記微粒子層は、第１電極と前記絶縁層との間に配置される微粒子層と、第２電極と前記絶縁層との間及び前記開口部に配置された微粒子層と、で構成される。）
【００１４】
また、前記絶縁層は、絶縁性の層をいうが、例えば、シリコーン樹脂で形成されてもよい。
【００１５】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、第２電極は、その表面に凹部が形成されてもよい。ここで、凹部は、部分的に第２電極の層膜が薄くなった部分をいい、凹部は、第２電極上に均一に分散して配置される。
この実施形態によれば、第２電極の表面に凹部が形成されているので、この実施形態に係る電子放出素子は、いわゆる電流路が形成されやすくなり、凹部で形成される電流路により電子放出の確度、つまり確実に電子放出に至る点が増加する。従って、凹部が第２電極上に均一に分散して配置されることにより、電子放出量が多い電子放出素子が提供される。
【００１６】
ここで、凹部の形状として、例えば、半球状、半楕円体形状を挙げることができる。このような凹部の大きさは、粒径が１〜５μｍであることが好ましく、その分布は、８００〜１２００個／ｍｍ2の密度で分散していることが好ましい。凹部の大きさは小さいほうがよいが、粒径が１μｍ以上であれば、凹部に電界が集中して電流路を形成しやすくなり、また、粒径が５μｍ以下であれば、凹部に過大な電界が集中しにくくなり異常な電流路の形成が生じにくくなる。このため、上記粒径範囲であることが好ましい。また、凹部はその数が多いほうがよいが、凹部の分布が８００個／ｍｍ2以上であれば、電流路がまばらでないので、面全体から十分な電子を放出することが可能となり、凹部の分布が１２００個／ｍｍ2以下であれば、第２電極面内の導電性を均一に保つことができ、面全体に電流を供給しやすくなる。このため、上記分布範囲であることが好ましい。
【００１７】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、第２電極が、前記微粒子層側に形成された第１電極層と、第１電極層上に形成され、第１電極層よりも抵抗値が高い第２電極層と、で構成され、第１電極層の表面に凹部が形成されてもよい。
この実施形態によれば、第１電極層の表面に凹部が形成され、その表面上に第１電極層よりも抵抗値が高い第２電極層が形成されているので、凹部と凹部以外の個所で電気的抵抗値が異なる。このため、凹部下方の微粒子層に電流路が集中して形成され、凹部以外の個所には、電流路が形成されにくい。これにより、長期にわたって連続して駆動できるとともに、第２電極に均一に形成された凹部から電子が集中して放出される電子放出素子が提供できる。
また、第２電極層は、前記凹部が第１電極層を貫通することにより、前記微粒子層と電気的に接続されてもよい。微粒子層表面における凹部と凹部以外の個所で電気的抵抗が異なるので、凹部から電子がより集中して放出される電子放出素子が提供できる。
【００１８】
ここで、第２電極は、例えば、第１電極層がアモルファスカーボン層であり、また、第２電極層が金属層であってもよい。
アモルファスカーボン層は、いわゆるＳＰ2混成軌道を有するグラファイト構造のクラスター（数百個程度の原子の塊）が無秩序に堆積したものである。グラファイト自体は電気伝導に優れた材質であるが、クラスター間の電気伝導は良好とは言えない堆積状態にあるため、この場合、第２電極層（例えば、金属層）に対して電気的には抵抗層として機能する。このため、第１電極層の表面に凹部が形成され、その表面上に第１電極層よりも抵抗値が高い第２電極層が形成されると、抵抗値の平面的な分布の違いにより凹部に電流路が集中する。これにより、第２電極に均一に形成された凹部から電子が集中して放出される電子放出素子が提供できる。
また、第２電極層が金属層である場合、第２電極層が金、銀、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含む材料で構成されてもよい。例えば、第２電極層が金、銀、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを主成分とする材料で形成されるとよい。これらの材料は、仕事関数が低いので、電子を加速させる層として機能する微粒子層（以下、電子加速層ともいう）の電子を効率よくトンネルさせる。このため、高エネルギーの電子をより多く放出させる電子放出素子が提供される。
【００１９】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、前記微粒子層が絶縁性微粒子で構成された絶縁性微粒子層をさらに備えてもよい。つまり、前記微粒子層が、絶縁性微粒子で形成された層と、前記絶縁性微粒子及び導電性微粒子で形成された層とで構成されてもよい。このような構成によれば、微粒子層の凹凸を緩和することができるので、凹凸による異常な電界が発生しにくい。このため、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が提供される。
ここで、前記絶縁性微粒子層は、前記絶縁性微粒子及び導電性微粒子で形成された層上に形成されるとよいが、前記絶縁性微粒子及び導電性微粒子で形成された層の下方に接して形成されてもよい。
【００２０】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、前記微粒子層は、その層を構成する絶縁性微粒子及び導電性微粒子がシリコーン樹脂により固着してもよい。例えば、熱硬化性のシリコーン樹脂を用いて、このシリコーン樹脂を硬化させて、前記微粒子層を形成してもよい。これにより、前記微粒子層の機械的強度が向上し、連続駆動に耐えうる電子放出素子が提供される。
また、前記微粒子層の機械的強度が向上するので、前記微粒子層上の第２電極に凹部を形成する工程（後述する、第１電極層上に第２電極層を形成する工程）の実施が容易となる。
さらに、シリコーン樹脂が撥水機能を有するので、大気中に含まれる水分子の微粒子層への付着が抑制され、水による電気抵抗の変化を抑えることができる。このため、連続して駆動しても、安定して動作する電子放出素子が提供される。
【００２１】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、前記導電性微粒子は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも１つを含む材料で構成されてもよい。例えば、第２電極層が金、銀、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを主成分とする材料で形成されるとよい。大気中の酸素による酸化などをはじめ、電子放出素子の劣化が生じにくい。このため、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が提供される。
また、前記導電性微粒子は、その粒径が３〜１０ｎｍの平均径であってもよい。これによれば、微粒子層内で絶縁破壊が起こりにくくなり、原理的には明らかでないが、弾道電子が効率よく生成される。
【００２２】
また、この発明の実施形態において、前記発明の特徴に加え、前記絶縁性微粒子は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の少なくとも１つを含む材料で構成されてもよい。例えば、前記絶縁性微粒子は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の少なくとも１つを主成分とする材料で形成されるとよい。これら物質は、絶縁性が高いので、微粒子層の抵抗値を任意の範囲に調整できる。また、絶縁性微粒子の材料として酸化物（ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の）を用いるので、大気中で連続して駆動しても、大気中の酸素に起因する酸化が生じにくく、このため、電子放出素子の劣化を抑制できる。従って、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子が提供される。
【００２３】
また、この発明の電子放出素子は、自発光デバイスにおいて、発光体とともに用いられ、電子を放出して前記発光体を発光させてもよいし、画像表示装置において、自発光デバイスとして用いられてもよい。
この発明の電子放出素子を自発光デバイス又は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、長期にわたって連続して駆動できる自発光デバイス又は画像表示装置が提供される。また、安定で長寿命な面発光を実現する自発光デバイスが提供される。
【００２４】
また、この発明の電子放出素子は、送風装置において、電子を放出して送風してもよいし、また、冷却装置において、ファンとともに用いられ、イオン風を生成してファンとともに被冷却体を冷却してもよい。
この発明の電子放出素子を、送風装置又は冷却装置に用いることにより、長期にわたって連続して駆動できる送風装置又は冷却装置が提供される。また、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質が発生しない送風装置又は冷却装置が提供される。これらの装置は、被冷却体表面でのスリップ効果を利用することにより高効率で冷却することができる。
【００２５】
また、この発明の電子放出素子は、帯電装置において、感光体とともに用いられ、電子を放出して前記感光体を帯電させてもよいし、画像形成装置において、帯電装置として用いられてもよい。
この発明の電子放出素子を、帯電装置又はこの帯電装置を備えた画像形成装置に用いることにより、長期にわたって連続して駆動できる帯電装置又は画像形成装置が提供される。これらの装置は、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質が発生しない帯電装置又は画像形成装置が提供される。
従って、これらの装置は、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。
【００２６】
また、この発明の電子放出素子は、レジストを硬化させる電子線硬化装置において、電子源として用いられ、レジストに電子を衝突させて硬化させてもよい。この発明の電子放出素子を、電子線硬化装置に用いることにより、長期にわたって連続して駆動できる電子線硬化装置が提供される。また、平面的な電子線硬化ができ、マスクレス化が図れ、低価格化・高スループット化を実現できる。
【００２７】
また、この発明の電子放出素子を電子放出装置に用いてもよい。つまり、この発明は、前記いずれか一つの電子放出素子と、第１電極と第２電極との間に電圧を印加する電源部と、を備える電子放出装置であってもよい。前記電源部は、第1電極を負極とする直流電源であってもよいし、交流電源であってもよい。長期にわたって連続して駆動できる電子放出装置が提供される。
【００２８】
なお、これらの装置、つまり、自発光デバイス、画像表示装置、送風装置、冷却装置、帯電装置、画像形成装置、電子線硬化装置及び電子放出装置は、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が第１電極を兼用して用いられてもよい。
【００２９】
この発明の電子放出素子の製造方法は、第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備え、第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記絶縁性微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したこと電子放出素子の製造方法であって、第１電極上に開口部を有する絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上に前記開口部を埋め、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層を形成する工程と、前記微粒子層上に、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備える電子放出素子を製造できる。このため、長期にわたって連続して駆動できる電子放出素子の製造方法が提供される。
【００３１】
また、この発明の実施形態において、前記発明の製造方法の構成に加え、前記絶縁層を形成する工程が、紫外線硬化性及び熱硬化性のシリコーン樹脂で層を形成する工程と、前記シリコーン樹脂で形成された層に熱処理をする工程と、熱処理された層に所定の遮光パターンを備えるマスクを介して紫外線を照射する工程と、紫外線の照射後、前記シリコーン樹脂で形成された層の、前記遮光パターンにより紫外線が照射されない部分を除去する工程と、を備えてもよい。
【００３２】
この実施形態によれば、前記シリコーン樹脂が熱処理され、かつマスクを介して紫外線が照射されるので、マスクのパターンがシリコーン樹脂層の硬化度の相違として、シリコーン樹脂層に転写される。つまり、紫外線の照射された部分は、照射されなかった部分に比べて硬い膜となる。このため、紫外線照射後のシリコーン樹脂層を、例えば、柔らかいウェスで拭うことにより、紫外線が照射されない部分を選択的に除去できる。これにより、開口部を有する絶縁層を容易に形成できる。
ここで、前記紫外線が照射されない部分を除去する工程は、上記に記載のように、布（例えば、ウェス）により紫外線が照射されない部分を拭き取る工程であってもよい。
【００３３】
また、この発明の実施形態において、前記発明の製造方法の構成に加え、前記第２電極を形成する工程は、前記微粒子層上に、微粒子体を散布する工程と、前記微粒子体が散布された微粒子層上に、第１電極層を形成する工程と、前記微粒子体を除去した後に、第１電極層上に第２電極層を形成する工程と、を備える工程であってもよい。
この実施形態によれば、第２電極が、前記微粒子層側に形成された第１電極層と、前記層上に形成され前記層よりも抵抗値が高い第２電極層とで構成され、第１電極層の表面に凹部が形成された電子放出素子の製造方法が提供される。つまり、長期にわたって連続して駆動できるとともに、第２電極に均一に形成された凹部から電子が集中して放出される電子放出素子の製造方法が提供できる。
【００３４】
なお、第１電極は、絶縁性微粒子層に電圧を印加するための導体又は半導体であり、単一の構造体であっても、複数の構造体で構成された構造体であってもよい。例えば、第１電極は、金属板であってもよいし、絶縁体上に形成された金属膜（ガラス基板に形成されたアルミ膜等）であってもよい。この第１電極は、いわゆる電極基板を含む。
【００３５】
以下、この発明の実施形態および実施例について、図１〜１８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この発明の具体的な一例に過ぎず、この発明はこれらよって限定されるものではない。
【００３６】
〔実施形態１〕
図１は、この発明の電子放出素子の一実施形態煮に係る構成を示す模式図である。図１に示すように、この実施形態に係る電子放出素子１は、電極基板２と、電極基板２上に形成され、開口部を有する絶縁体薄膜５（絶縁層）と、絶縁体薄膜５上に形成された薄膜電極４と、電極基板２及び薄膜電極４と絶縁体薄膜５との間に配置された微粒子層３とを備えている。
【００３７】
この電子放出素子１は、電極基板２と薄膜電極４との間に電圧が印加されると、電極基板２から供給される電子を微粒子層３で加速させて薄膜電極４から放出させる（以下、微粒子層３を電子加速層３ともいう）。つまり、電極基板２と薄膜電極４との間の電子加速層３に電流が流れ、その一部が、印加電圧の形成する強電界により弾道電子として電子加速層３から放出され、薄膜電極４側より素子外部へと放出される。電子加速層３から放出された電子は、薄膜電極４を通過（透過）して、或いは、薄膜電極４の下層に位置する電子加速層３の表面に凹凸等の影響から生じる薄膜電極４の孔（隙間）からすり抜けて外部へと放出される。
【００３８】
電極基板２は、アルミニウムで形成されている。この電極基板２は、下部電極（図１で下方に配置された電極）であるとともに基板としての機能をもつ。つまり、電極基板２は、導電性を有する構造体（例えば、板状体）であればよく、電子放出素子を支持体する構造体であればよい。このため、電極基板２には、ある程度の強度を有し、適度な導電性を有する基板を用いる。電極基板２として、例えば、ＳＵＳやＡｌ、Ｔｉ、Ｃｕ等の金属基板、ＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板を挙げることができる。また、導電性材料で形成された電極がその表面に配置された絶縁体基板を用いてもよい（つまり、絶縁物からなる板状体の表面を導電性材料で被覆した構造体を用いてもよい）。このような基板として、例えば、表面に金属膜が形成されたガラス基板やプラスティック基板を挙げることができる。表面に電極が配置された絶縁体基板の場合、電極を後述する薄膜電極４側に配置して用いる。
【００３９】
このような電極の形成に用いる導電性材料には、導電性に優れ、マグネトロンスパッタ等を用いて薄膜が形成できる材料を選択する。電子放出素子を大気中で安定して動作させるのであれば、抗酸化力の高い導電性材料を用いるとよい。好ましくは、貴金属を用いる。また、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。また、強靭な薄膜を形成できるという点で、ＴｉとＣｕとを用いてもよい。例えば、ガラス板表面に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。
なお、電極基板２は、後述する微粒子層等を積層するため、電極基板２と直に接する層（部材）との接着性が良好である基板を選択するとよい。
【００４０】
絶縁体薄膜５は、シリコーン樹脂で形成され、電極基板２上に形成され、開口部を有している。絶縁体薄膜５は、電子放出素子を駆動する駆動電圧に対して、絶縁体として機能する材料であれば、どの様な材料で形成されてもよいが、絶縁体薄膜５が開口部を有するようにするため、パターニングできる、つまり、形状を制御できる材料を用いる必要がある。このため、絶縁体薄膜５の材料には、紫外線硬化性及び熱硬化性のシリコーン樹脂が適当である。このシリコーン樹脂には、例えば、東レ・ダウコーニング・シリコン株式会社製の室温・湿気硬化タイプのＳＲ２４１１シリコンレジンを利用する。
【００４１】
シリコーン樹脂で絶縁体薄膜５を形成する場合、以下のような工程で開口部をパターニングすればよい。まず、シリコーン樹脂を電極基板２上に塗布し、シリコーン樹脂が塗布された電極基板２をプリベークし、次いで、マスクパターン（開口部を有する電極のパターンを備えるマスク）を重ねて紫外線を所定時間照射する。これにより、シリコーン樹脂膜の膜硬化度の違いとしてパターン転写される。紫外線の照射された部分は、照射されなかった部分に比べて硬い膜となるので、紫外線照射後のシリコーン樹脂膜を柔らかいウェスで拭うことにより、紫外線未照射部のシリコーン樹脂膜を選択的に除去できる。以上のようにして、シリコーン樹脂で開口部を有する絶縁体薄膜５を形成できる。
また、絶縁体薄膜５の材料には、酸化シリコンを挙げることができる。酸化シリコンの場合、例えば、酸化シリコン膜を形成可能な、一般的なＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置あるいはスパッター装置と各種イオンエッチング処理を用いて、開口部を有する絶縁体薄膜５を形成できる。このように、シリコーン樹脂のほか、無機材料である酸化シリコンを用いてもよい。
【００４２】
また、絶縁体薄膜５は、その膜厚が５００〜１０００ｎｍで形成する。この範囲であれば、微粒子層３の形成を妨げるような段差とならず、また、絶縁性も確保できる。
【００４３】
薄膜電極４は、薄膜電極４全体から一様かつ十分な電子が放出されるように、複数の導電性膜で形成されている。図２に薄膜電極４と微粒子層４の構成を説明するための断面図を示す。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００４４】
図２に示すように、薄膜電極４は、アモルファスカーボン層７と、多孔電極層８Ａと、ベタ電極層８Ｂとにより構成され、微粒子層３上に、アモルファスカーボン層７、多孔電極層８Ａ、ベタ電極層８Ｂの順で積層されている。また、薄膜電極４は、その表面に孔部９（凹部）が形成されている。
【００４５】
アモルファスカーボン層７は、いわゆるＳＰ2混成軌道を有するグラファイト構造のクラスター（数百個程度の原子の塊）が無秩序に堆積して形成されている。グラファイト自体は電気伝導性に優れた材質であるが、クラスター間の電気伝導性が良好でない堆積された状態であるため、抵抗層として機能している。つまり、多孔電極層８Ａやベタ電極層８Ｂと比較して電気抵抗が高い。
【００４６】
また、アモルファスカーボン層７は、その層厚が約１０ｎｍで形成されている。アモルファスカーボン層７を抵抗層として機能させるには、５ｎｍ以上の膜厚で形成する。
【００４７】
多孔電極層８Ａは、金とパラジウムを主成分とする材料で形成されている。この多孔電極層８Ａの材料は、電圧の印加が可能となるような材料であればよく、多孔電極層８Ａは、例えば、金属で形成する。ただし、微粒子層３（電子加速層）内で加速されて高いエネルギーをもつようになった電子をなるべくエネルギーロスなく透過させて放出させるという電極の機能の観点から、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、形成された素子から、より多くの電子を放出することが期待できる。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、タングステン、チタン、アルミ、パラジウムなどを挙げることができる。中でも大気圧中での素子の動作を想定した場合、酸化物及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。
【００４８】
また、多孔電極層８Ａは、その表面に孔部９が形成されている。孔部９は、多孔電極層８Ａ全体に均一に分布している。一般に微粒子層３に形成される電流路は電界の集中する点で生じ易い。従って、孔部９が微粒子層３上の電極に設けられると、微粒子層３に電流路が形成されやすくなる。一方、電界の集中が限定的であると、異常な電流路が増加し、これは電気的短絡状態を引起す要因となる。逆に電界の集中が均一に分散し広く分布すると、素子の電子放出点が増加し、結果として電子放出量が増加する。このため、多孔電極層８Ａ全体に均一に孔部９を分布させると、微粒子層３に電流路が形成されやすくなるとともに、素子の電子放出量が増加することになる。このため、孔部９は、その粒径（面積）を小さく形成し、かつその数は多く配置するとよい。また、多孔電極層８Ａ全体に均一に分散して配置するとよい。
【００４９】
具体的には、孔部９の粒径は、１〜５μｍであるのが好ましく、孔部９の配置は、８００〜１２００個／ｍｍ2の密度で多孔電極層８Ａに配置するのが好ましい。粒径が１μｍ以上であれば、凹部に電界が集中して電流路を形成しやすくなり、また、粒径が５μｍ以下であれば、凹部に過大な電界が集中しにくくなる。このため、異常な電流路の形成が生じにくくなる。また、凹部の分布が８００個／ｍｍ2以上であれば、電流路がまばらでないので、面全体から十分な電子を放出することが可能となり、凹部の分布が１２００個／ｍｍ2以下であれば、第２電極面内の導電性を均一に保つことができる。このため、面全体に電流を供給しやすくなる。
【００５０】
また、孔部９は、アモルファスカーボン層７及び多孔電極層８Ａを貫通して形成され、ベタ電極層８Ｂにより被覆されている。また、孔部９で微粒子層３とベタ電極層８Ｂとが接触している。微粒子層３からベタ電極層８Ｂまでの構造に着目すると、孔部９と孔部９以外の個所とでその電気抵抗が異なり、孔部９の電気抵抗が相対的に低いので、孔部９に電流路が集中して形成され、凹部から電子がより集中して放出される。
【００５１】
このような孔部９は、微粒子体を微粒子層３上に散布し、微粒子体が散布された微粒子層３上にアモルファスカーボンからなる層と金とパラジウムからなる金属層とを積層し、その後散布された微粒子体を除去することで形成できる。このため、孔部９の形状は、上記工程で散布される微粒子体の形状に依存する。つまり、後述する薄膜電極４の作成に用いられるスパッタ法、あるいは蒸着法等による、薄膜形成方法は、この散布された微粒子体の影まで回りこんで薄膜を形成する。このことから、微粒子体の大きさは、上記孔部９の粒径より数十パーセント程度、大きなものを選択すればよい。また、微粒子体としては、シリカ微粒子を用いるのが適当である。
【００５２】
ベタ電極層８Ｂは、多孔電極層８Ａと同様に、金とパラジウムを主成分とする材料で形成された金属層で形成されている。ベタ電極層８Ｂの材料も多孔電極層８Ａの材料と同様に、電圧の印加が可能となるような材料であればよい。従って、上記で説明したように、多孔電極層８Ａと同様の材料で形成すればよい。
【００５３】
また、ベタ電極層８Ｂは、多孔電極層８Ａを覆うように構成されている。つまり、多孔電極層８Ａ表面を被覆するように形成され、孔部９もベタ電極層８Ｂにより被覆されている。薄膜電極４が電極として機能するためには、多孔電極層８Ａとベタ電極層８Ｂとからなる金属層が電極として機能する必要がある。このため、多孔電極層８Ａとベタ電極層８Ｂとあわせた層（金属層）の層厚（多孔電極層８Ａの層厚とベタ電極層８Ｂの層厚とをあわせた合計値）が１０ｎｍ以上であるとよい。１０ｎｍ以上であれば、電極として十分な導電性を確保できる。なお、この実施形態では、ベタ電極層８Ｂは２０ｎｍの膜厚で形成されている。
【００５４】
なお、薄膜電極４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ための条件として重要であり、最大膜厚部で１５〜１００ｎｍの範囲とすることが好ましい。このように、薄膜電極４は１００ｎｍ以下の膜厚で形成する必要があり、これを超える薄膜電極４では弾道電子の放出が極端に減少する。放出される弾道電子の減少は、薄膜電極４が弾道電子を吸収し又は反射することにより、微粒子層３に電子が再度捕獲されるためと考えられる。
【００５５】
また、薄膜電極４は、電極として機能すればよいので、例えば、金とパラジウムからなる金属膜のように、単一の導電性膜で形成されてもよい。また、この実施形態のように、薄膜電極４が複数の導電性膜（いわゆる積層構造）で形成されてもよい。
【００５６】
微粒子層３は、電極基板２と薄膜電極４との間に配置され、実質的に絶縁性微粒子６Ａで構成されている。具体的には、図２に示すように、微粒子層３は、電極基板２上に形成された第１微粒子層３Ａと、第１微粒子層３Ａ上に形成された第２微粒子層３Ｂとで構成されている。
【００５７】
第１微粒子層３Ａは、絶縁性微粒子６Ａ及び導電性微粒子６Ｂで構成され、絶縁性微粒子６Ａ及び導電性微粒子６Ｂは、主としてナノサイズの粒子で構成されている。
【００５８】
絶縁性微粒子６Ａは、シリカ（ＳｉＯ2）で形成されている。絶縁性微粒子６Ａの材料は、絶縁性を持つ材料であればよく、上記ＳｉＯ2のほか、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2から選ばれる材料を主成分とすればよい。より具体的には、例えば、キャボット社のフェームドシリカＣ４１３を利用できる。ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2のように絶縁性が高い材料であれば、微粒子層３の抵抗値を所望の値に調整することが容易となる。また、これらの酸化物を用いると、酸化が生じにくく素子の劣化を防止できる。
【００５９】
また、絶縁性微粒子６Ａは、その粒径が５０ｎｍの平均粒径を有する微粒子である。この絶縁性微粒子６Ａは、その平均粒径が１０〜１０００ｎｍであるものが好ましく、また、その平均粒径が１０〜２００ｎｍであるものがより好ましい。絶縁性微粒子６Ａは、粒子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の領域にその粒子径分布を有していても問題ない。従って、このような分散状態でも平均粒径が上記絶縁性微粒子の粒子径が上記平均粒径の範囲を満たせばよい。平均粒径が小さすぎると、粒子間に働く力が強いために粒子が凝集しやすく、分散が困難になる。一方、絶縁性微粒子の粒子径が大きすぎると分散性はよいものの、薄膜微粒子層の空隙が大きくなり、微粒子層の抵抗調整の調整を困難にする。このため、上記平均粒径範囲が好ましい。
【００６０】
導電性微粒子６Ｂは、銀で形成されている。導電性微粒子６Ｂは、電子放出素子が大気中で酸化して劣化することを防ぐため、貴金属を用いて形成されるとよい。例えば、上記銀のほか、金、白金、パラジウム又はニッケルを主成分とする金属材料で導電性微粒子６Ｂを形成するとよい。このような導電性微粒子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。
【００６１】
また、導電性微粒子６Ｂは、その粒径が１０ｎｍの平均粒径を有するナノ粒子である。導電性微粒子６は、第１微粒子層３Ａの導電性を制御するため、絶縁性微粒子６Ａの平均粒径よりも小さい平均粒径を有する微粒子を用いる必要がある。このため、導電性微粒子６の平均粒径は、３〜２０ｎｍであるのが好ましい。導電性微粒子６の平均粒径を、縁体微粒子５の平均粒径よりも小さくすることにより、電子加速層４内で、導電性微粒子６による導電パスが形成されず、電子加速層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、平均粒径が上記範囲内の導電性微粒子６を用いることで、弾道電子が効率よく生成される。
【００６２】
また、第１微粒子層３Ａは、絶縁性微粒子６Ａと導電性微粒子６Ｂとがシリコーン樹脂で固着されている。このため、多孔電極層８Ａに孔部９が形成されても十分な機械的強度を有する素子が形成される。また、シリコーン樹脂は撥水機能があるので、微粒子層３への水分子が付着しにくく、素子を大気中で動作させても水分子による電気抵抗の変化が生じにくい。このため、安定して動作する電子放出素子を形成できる。このシリコーン樹脂には、例えば、東レ・ダウコーニング・シリコン株式会社製の室温・湿気硬化タイプのＳＲ２４１１シリコンレジンを利用する。
【００６３】
第２微粒子層３Ｂは、絶縁性微粒子６Ａで構成されている。この絶縁性微粒子６Ａは、第１微粒子層３Ａで用いている絶縁性微粒子６Ａと同じ微粒子を用いている。このように、第２微粒子層３Ｂで用いる絶縁性微粒子６Ａは、第１微粒子層３Ａのそれと同じ微粒子を用いればよい。
【００６４】
また、第２微粒子層３Ｂは、絶縁性微粒子６Ａと絶縁性微粒子６Ａとがシリコーン樹脂で固着されている。このシリコーン樹脂も第１微粒子層３Ａと同じものである。このため、機械的強度と水分子付着について、上記で説明した効果と同様の効果が第２微粒子層３Ｂでも得られる。
【００６５】
なお、この実施形態では、第１微粒子層３Ａと第２微粒子層３Ｂとに、シリコーン樹脂を用い、微粒子間を固着しているが、いずれかの層にのみ用いてもよい。この場合、シリコーン樹脂を用いた層で、機械的強度と水分子付着について、上記で説明した効果が得られる。
【００６６】
微粒子層３は、その層厚が１２００ｎｍで形成され、第１微粒子層３Ａは７００〜８００ｎｍ、第２微粒子層３Ｂは、４００〜５００ｎｍで形成されている。微粒子層３は、層厚を均一にし、層厚方向に一様な抵抗となるようにするため、微粒子層３は、その層厚を３００〜４０００ｎｍにするとよい。微粒子層３は、電子を加速させる層としての機能から、第１微粒子層３Ａのみの構成であってもよいので、第１微粒子層３Ａと第２微粒子層３Ｂとをあわせた層厚で管理すればよい。
【００６７】
なお、微粒子層３は第１微粒子層３Ａのみで構成されてもよいが、この実施形態のように、微粒子層３が第１微粒子層３Ａと第２微粒子層３Ｂとで構成されるとよい。つまり、微粒子層３の層厚と比べてその表面の凹凸があまりに大きいと、表面形状から生じる電界異常が生じ、電流集中が発生する。また長期間の素子への通電でも、微粒子層３に偶発的な電流集中点が生じてしまう。これら問題を回避するため、微粒子層３を第１微粒子層３Ａと第２微粒子層３Ｂとで構成して微粒子層３表面の凹凸を緩和するとよい。なお、微粒子層３はその層厚が小さいほうがよいが、若干の厚膜化は上記問題には有用である。
【００６８】
微粒子層３は、絶縁体薄膜５上に形成され、絶縁体薄膜５と薄膜電極４との間に配置されている。また、微粒子層３は、絶縁体薄膜５の開口部において、基板電極２と絶縁体薄膜との間に配置されている。微粒子層３の微粒子（絶縁性微粒子６Ａ及び導電性微粒子６Ｂ）は、絶縁体薄膜５の開口部を埋めている。これらの位置関係を図３に示す。
【００６９】
図３は、電子放出素子の絶縁層の平面的な形状を説明するための模式図であり、絶縁体薄膜５の形状を示すとともに微粒子層３及び薄膜電極３との位置関係を示している。この図は、絶縁体薄膜５の形状及び位置を示すために、絶縁体薄膜５の表面で、絶縁体薄膜５と微粒子層３とを切り離した状態となっている。図３において、絶縁体薄膜５上の破線は、薄膜電極４の電極端部を絶縁体薄膜５に投影したときの電極端部の投影線５Ｂ、つまり薄膜電極４の外形の投影線５Ｂである。
【００７０】
図３に示すように、絶縁体薄膜５は開口部５Ａを有し、この開口部５Ａを挟んで基板電極３と薄膜電極４とが対向し、薄膜電極４は、その電極端部が絶縁性と重なるように配置されている。つまり、絶縁体薄膜５の開口部５Ａの端面と薄膜電極の電極端面との間に所定の距離が設けられ、薄膜電極４は、絶縁体薄膜５の開口部５Ａよりも大きく、微粒子層３を挟んで開口部５Ａを覆うように配置されている。
【００７１】
絶縁体薄膜５は、薄膜電極４の端部で生じる電界集中（電流集中）から微粒子層３を保護するため、電極基板２を覆うように形成される（つまり薄膜電極４の端部を被覆する）。この実施形態の場合、薄膜電極４の端部を覆うために、絶縁体薄膜５の領域に該当する基板電極３の全面が、絶縁体薄膜５により覆われている。
【００７２】
一方、電子放出素子として機能するためには微粒子層３に電流を流す必要がある。このため、絶縁体薄膜５の一部が開口している。つまり電子放出点に該当する箇所を切り欠いている。そして、この切り欠いた個所、つまり微粒子層３の開口部５Ａで、基板電極３が微粒子層３に接し、薄膜電極４が微粒子層３を介して開口部５Ａを覆うように配置されている。図３における電極端部の投影線５Ｂを用いて説明すると、開口部５Ａは、投影線５Ｂで囲まれた領域よりも内側に配置されている。（薄膜電極４の端部は、絶縁体薄膜５の上方で開口部５Ａの端部とずれた位置に配置され、絶縁体薄膜５と重なっている。）
このように配置することにより、絶縁体薄膜５は、薄膜電極４の端部が微粒子層３に形成される電界の集中を緩和し、異常な電流集中の発生が抑制されることになる。つまり、次のようなメカニズムにより、第２電極の端部と第１電極との間の微粒子層に不均一な電界が生じないと考えられる。
【００７３】
電極基板２と薄膜電極４との間に電圧を印加すると、微粒子層３（電子加速層）内に電流路が形成され、その一部の電荷が印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって、薄膜電極４側より放出される。微粒子層３内部での弾道電子の発生機構については、現時点でも多くの不明な点を残すが、素子表面から放出される電子は、微粒子層３内部に形成された電流路を伝導する電荷の一部を、微粒子層３内に局所的に形成された高電界部にて加速させ、ホットエレクトロン（弾道電子）となって空間に飛び出すものと理解されている。微粒子層３を構成する微粒子層間で放出された電子は、微粒子層３内に形成された電界に沿って弾性衝突を繰り返しながら進み、その一部が表面の薄膜電極を透過あるいは電極の隙間からすり抜けて、素子表面から出てくるものと考えられる。
【００７４】
この時、電極基板２と微粒子層３との間に絶縁体薄膜５を有する部分は、たとえ微粒子層３が電極基板２と薄膜電極３とに挟まれた構成となっていても、絶縁体薄膜５の電気的絶縁作用によって電流を流さない。また、電極基板２と微粒子層３との間に絶縁体薄膜５のない部分では、微粒子層３に両電極の電位差から生じる均一な電場が生じ、微粒子層３内に電流が流れてその一部をホットエレクトロンとして空間に放出する。一方、薄膜電極３端部と電極基板２に挟まれた微粒子層３には、不均一に集中した電場を生じるが、その電気力線に沿った通り道には、形状制御された絶縁体薄膜５(誘電体薄膜)が存在するため、その電気的絶縁作用によって電場は緩和され、電流を流すことはない。このため、従来であれば微粒子層３に不均一な電界を形成して電流が集中しやすい薄膜電極４端部の直下には、電流路が形成されず、長期の通電時間が経過しても、その状態は変化しない。また、薄膜電極２の開口部５Ａに該当する部分から電極基板４に流れる電流は、長期の通電時間が経過しても、特定の部分に偏在することなく流れ続け、面全体からの電子放出が維持される。
【００７５】
なお、図３において、開口部５Ａにも微粒子層３が配置される（図示せず）。この実施形態では、絶縁体薄膜５側（電極基板２側）に第１微粒子層３Ａが配置されているので、開口部５Ａは、絶縁性微粒子６Ａ及び導電性微粒子６Ｂで埋められている。
【００７６】
また、この電子放出素子は、電極基板２と薄膜電極３とが電源７に接続されて用いられる。図１に示すように、電子放出素子１と、電極基板２と薄膜電極３とに接続された電源７とを備える電子放出装置を構成してもよい。
【００７７】
〔製造方法〕
次に、実施形態１に係る電子放出素子１の製造方法について説明する。
まず、電極基板２上に開口部を有する絶縁体薄膜５を形成する。
電極基板２に紫外線硬化性及び熱硬化性のシリコーン樹脂を塗布し（例えば、スピンコート法）、シリコーン樹脂が塗布された電極基板２をプリベークする（例えば、２００℃。低硬度硬化処理ともいう）。次に、開口部及び形状パターンがクロムで描画されたマスク（石英薄板）をプリベークされた電極基板２に、重ねて、電極基板２に紫外線を照射する（波長１７２ｎｍ）。これにより、マスクに描画された所望のパターンはシリコーン樹脂膜の膜硬化度の違いとしてパターン転写される。つまり、紫外線の照射された部分は、照射されなかった部分に比べて硬い膜となる。次に、紫外線が照射された電極基板２の表面を布（例えば、柔らかいウェス）で拭う。これにより、紫外線未照射部のシリコーン樹脂膜だけを選択的に除去できる。なお、開口部を有する絶縁体薄膜５は、上記製造方法のほか、インクジェット印刷法やフォトリソグラフィ法により形成できる。例えば、酸化シリコン膜をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置又はスパッタ装置で形成し、形成された酸化シリコン膜を、各種イオンエッチング処理を用いて部分的に除去してもよい。
【００７８】
次いで、絶縁体薄膜５上に微粒子層（微粒子層３Ａ及び微粒子層３Ｂ）を形成する。
まず、微粒子層３Ａの材料となる分散液Ａと微粒子層３Ｂとなる分散液Ｂを作成する。分散液Ａは、溶媒に、絶縁性微粒子と導電性微粒子を順に投入し、超音波分散器にかけて分散させて作製する。また、分散液Ｂは、溶媒に、絶縁性微粒子とシリコーン樹脂溶液を順に投入し、超音波分散器にかけて分散させて作製する。ここで分散溶媒は、それぞれの材料の分散したスラリーを形成出来るものであれば、特に制限はない。例えば、分散溶媒としては、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン等を用いることができる。なお、分散法は、超音波分散器に限られず、超音波分散器以外の方法で分散させてもよい。
次に、開口部を有する絶縁体薄膜５が形成された電極基板２上に分散液Ａを塗布して（例えば、スピンコート法）微粒子層３Ａを形成する。分散液Ａを塗布した後、ベーク処理して溶媒を蒸発させる。電極基板２表面全体に塗布し、絶縁体薄膜５上のみならず開口部５Ａも分散液Ａを塗布する。ここで、分散液の塗布は、スピンコート法以外に、例えば、滴下法、スプレーコート法、噴霧法、インクジェット法等の方法を利用できる。スピンコート法やこれらの方法による塗布、乾燥を繰り返すことにより、所望の膜厚を有する微粒子層３Ａを形成できる。
次に、微粒子層３Ａが形成された電極基板２に、分散液Ａの場合と同様にして、微粒子層３Ｂを形成する。この時、分散液Bに含まれるシリコーン樹脂成分は、微粒子層３Aにも浸透し、結果的に微粒子層３Aを構成するそれぞれの微粒子をシリコーン樹脂で結着（固着）する事に成る。分散液Ｂ塗布後には、再びベーク処理を行う。
【００７９】
次いで、微粒子層上に薄膜電極４を形成する。薄膜電極４は、アモルファスカーボン層７及び多孔電極層８Ａ並びにベタ電極層８Ｂで構成され、次のように形成する。
まず、孔部９を形成するため、遮蔽体として機能する球形遮蔽体を溶媒に分散せて、分散液Ｃを作製し、分散液Ｃを微粒子層が形成された電極基板２上に塗布する。溶媒が蒸発することにより、球形遮蔽体が微粒子層上に均一に散布されることになる。
次に、薄膜電極４の形状の開口パターンを有するマスクを、球形遮蔽体が散布された電極基板２に重ね、スパッタ法にて、アモルファスカーボン層７、金属材料の薄膜層８Ａを続けて成膜する。ここで、スパッタのターゲットには、金、銀、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウム等を用いる。
次に、成膜された電極基板２の表面に対してドライエアーをブローして、球形遮蔽体を除去する。これにより、多孔電極層８Ａが完成する。
次に、薄膜電極４の形状の開口パターンを有するマスクを重ねたまま、多孔電極層８Ａが形成された電極基板２全面に、スパッタ法にて金属材料の薄膜を成膜する。成膜後マスクを取り除く。これにより、ベタ電極層８Ｂが完成する。
以上の工程により、実施形態１に係る電子放出素子が完成する。
次に、薄膜電極４の構造と、その効果について行った実験結果について説明する。
【００８０】
（実施例１）
まず、電子放出素子１の詳細な作成条件について説明する。
始めに、開口部及び所定の形状を有する絶縁体薄膜５を作成する。
１０ｍＬの試薬瓶にｎ−ヘキサン溶媒を０．７ｇ入れ、次にシリコーン樹脂溶液を０．３５ｇ投入する。手振りで撹拌し、シリコーン樹脂の希釈溶液を得る。ここでシリコーン樹脂は、室温・湿気硬化タイプのＳＲ２４１１シリコンレジン（東レ・ダウコーニング・シリコン株式会社）である。
【００８１】
電極基板２として、２４ｍｍ角のアルミ製基板を準備し、上記シリコーン樹脂の希釈溶液を滴下後、スピンコート法を用いて、基板全面にシリコーン樹脂層を形成した。スピンコート法による成膜条件は、５００ＲＰＭにて１秒間回転している間に、上記希釈溶液を基板表面へ滴下し、続いて３０００ＲＰＭにて１０秒間の回転を行うこととした。このアルミ基板を２００℃のホットプレートを用いて１５分間加熱・硬化処理を行った。
【００８２】
この基板へ石英薄板にクロムでパターン描画されたマスクパターンを重ね、波長１７２ｎｍの真空紫外線を１５分間照射する。クロムマスクのパターンは、１．４ｍｍ角の正方形の形状である。紫外線照射後、マスクに描画されたパターンはシリコーン樹脂膜の膜硬化度の違いとしてパターン転写される。紫外線の照射された部分は、照射されなかった部分に比べて硬い膜となる。真空紫外の光源には、誘電体バリア放電エキシマランプ（ウシオ電機株式会社）が用いられている。
この紫外線照射後の基板表面を柔らかいウェスで拭うことで、紫外線未照射部のシリコーン樹脂膜だけ除去し、１．４ｍｍ角のシリコーン樹脂膜の窓（アルミ基板表面の露出部）が形成された。
【００８３】
次に、微粒子層（電子加速層）３を形成する。
１０ｍＬの試薬瓶にｎ−ヘキサン溶媒を１．５ｇ入れ、絶縁性微粒子として０．２５ｇのシリカ粒子を投入し、同様に試薬瓶を超音波分散器にかけて分散させた。ここでシリカ微粒子は、平均粒子径５０ｎｍのフュームドシリカＣ４１３（キャボット社）であり、表面はヘキサメチルシジラザン処理されている。５分間分散器にかけることで、シリカ微粒子はヘキサン溶媒に乳白色に分散した。次に、導電性微粒子として０．０６ｇの銀ナノ粒子を投入し、同様に超音波分散処理を行った。この銀ナノ粒子はアルコラートの絶縁被覆を有した平均粒子径１０ｎｍのもの（応用ナノ研究所）である。ここで得られたものを分散液Ａとする。同様に、１０ｍＬの試薬瓶にｎ−ヘキサン溶媒を１．５ｇ入れ、絶縁性微粒子として０．２５ｇのフュームドシリカＣ４１３のシリカ粒子を投入し、同様に試薬瓶を超音波分散器にかけて分散させた。次に、シリコーン樹脂溶液を０．０３６ｇ投入し、同様に超音波分散処理を行った。このシリコーン樹脂は、室温・湿気硬化タイプのＳＲ２４１１シリコンレジン（同上）とした。ここで得られたものを分散液Ｂとする。
【００８４】
シリコーン樹脂膜の窓（アルミ基板表面の露出部）が形成された電極基板２表面に分散液Ａを滴下し、スピンコート法を用いて第１微粒子層３Ａを形成した。第１微粒子層３Ａが形成された基板は、１５０℃のホットプレートを用いて１分間加熱乾燥させた。さらに、分散液Ｂを用いて同様に成膜して第２微粒子層３Ｂを形成した。第２微粒子層３Ｂが形成された基板は、１５０℃のホットプレートを用いて１分間加熱乾燥させた。
スピンコート法による成膜条件は、５００ＲＰＭにて１秒間回転している間に、上記分散液を基板表面へ滴下し、続いて３０００ＲＰＭにて１０秒間の回転を行うこととした。
【００８５】
続いて薄膜電極４を作成する。
１０ｍＬの試薬瓶にエタノール溶媒を１．０ｇ入れ、球形遮蔽体として０．１ｇのシリカ粒子を投入し、超音波分散器用いてにかけて５分間分散させた。ここでシリカ微粒子は、平均粒子径８μｍのフュームドシリカＳＥ−５Ｖ（株式会社トクヤマ）であり、表面はアミノシラン処理に加えてヘキサメチルシジラザン処理されたものである。ここで得られた分散液を分散液Ｃとする。
微粒子層３の形成されたアルミ製の電極基板２に、分散液Ｃを滴下し、スピンコート法を用いて球形遮蔽体を均一に散布させた。散布後の基板は、１５０℃のホットプレートを用いて１分間加熱し、溶媒を蒸発させた。
その後、薄膜電極４の形状を模ったメタルマスク（２．０ｍｍ角の正方形の形状）を、球形遮蔽体の散布された電極基板２に重ねた。この時、先に成膜した絶縁体薄膜５の窓（アルミ基板表面と電子加速層３が直接積層された部分）の中心と、メタルマスクの中心を一致させ、メタルマスクの端部と絶縁体薄膜５の窓部を構成する端部とが、各辺で０．３ｍｍ離れるようにアライメント調整を行った。
【００８６】
メタルマスクを固定した後、抵抗過熱式蒸着機を用いてカーボン膜を蒸着し、続けてスパッタ装置を用いて、金、パラジウムターゲット（Ａｕ―Ｐｄ）を使用して成膜し、多孔電極層８Ａの元と成る電極膜が得た。α−カーボン膜７の膜厚を１０ｎｍ、金パラジウムの電極膜の膜厚を２０ｎｍとした。
続いて、ドライエアーを用いて上記電極膜表面をブローして球形遮蔽体を除去した。これにより多孔電極層８Ａが得られた。
【００８７】
図５は、球形遮光体をブローした段階での金パラジウム金属膜表面のＳＥＭ写真である。図５で白丸で囲んだ部分が、球形遮蔽体が存在してα−カーボン膜７及び金属薄膜８が積層されなかった部分である。多孔化処理された孔部９の大きさは、直径４．５μｍ、その分散の程度は、９３０個／ｍｍ2であった。
【００８８】
最後に、メタルマスクを先程と同じ位置に設置し、球形遮蔽体の無くなった多孔積層電極層４−１の全面に、金、パラジウムターゲット（Ａｕ―Ｐｄ）を使用して金属材料のみから成るベタ電極層８Ｂを成膜した。ベタ電極層８Ｂの膜厚は２０ｎｍとした。
【００８９】
図４に、電子放出実験に用いた測定系を示す。図４の測定系では、電子放出素子１の多孔化処理された薄膜電極４側に、絶縁体スペーサ１３（径：１ｍｍ）を挟んで対向電極１２を配置させる。そして、電子放出素子１の電極基板２と薄膜電極４との間には、電源６ＡによりＶ１の電圧が印加され、対向電極１２には電源６ＢによりＶ２の電圧が印加されるようになっている。薄膜電極４と電源６Ａとの間を流れる電流Ｉ１を素子内電流、対向電極１２と電源６Ｂとの間に流れる電流Ｉ２を電子放出電流として測定する。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。
【００９０】
比較実験として、電極の多孔化処理をせずに金パラジウムのみで膜厚４０ｎｍとした素子（薄膜電極４がベタ金属層のみで構成される比較例１）、電極の多孔化処理をせずにα−カーボン膜を膜厚１０ｎｍ積層後、金パラジウム膜を膜厚４０ｎｍ積層した素子（薄膜電極４がアモルファスカーボン層とベタ電極層とで構成される比較例２）を作成し、電圧電流特性を計測した。
【００９１】
図６及び図７に、実施例並びに比較例１及び比較例２の素子内電流Ｉ１及び電子放出電流Ｉ２の測定結果を示す。図６及び７において、「（１）Ａｕ−Ｐｄ膜のみ」が比較例１、「（２）（Ｃ膜＋Ａｕ−Ｐｄ膜）ベタ膜」が比較例２、「（３）（Ｃ膜＋Ａｕ−Ｐｄ膜）多孔膜＋Ａｕ−Ｐｄ膜」が実施例に、それぞれ対応している。
【００９２】
図６は、電子放出素子１の素子内電流Ｉ１〔単位：Ａ/ｃｍ2〕の測定結果である。印加電圧Ｖ１は、０〜１４あるいは１６Ｖまで段階的に上げ、印加電圧Ｖ２は１００Ｖとした。薄膜電極４を多孔化することなしに、金パラジウム膜のみで作成した素子（比較例１）の素子内電流Ｉ１を基準に見ると、α−カーボン膜を積層することで素子内電流Ｉ１が減少することから、α−カーボン膜は抵抗層として機能している事実が分かる（比較例２）。一方、薄膜電極４を上記記載通りの多孔化膜として形成した素子（実施例１）では、素子内電流Ｉ１が増加し薄膜電極４の孔部９を基点とした電流路の形成が十分機能している。
【００９３】
図７は、図６の計測と同時に行った、電子放出素子１の電子放出電流Ｉ２〔単位：Ａ/ｃｍ2〕の測定結果である。上記と同様に、薄膜電極４を多孔化することなしに、金パラジウム膜のみで作成した素子（比較例１）の電子放出電流Ｉ２を基準に見ると、α−カーボン膜を積層することで電子放出電流Ｉ２が減少している（比較例２）。これは素子内電流Ｉ１の減少に引きずられた結果である。同様に、薄膜電極４を上記記載通りの多孔化膜として形成した素子（実施例１）では電子放出電流Ｉ２が増加している。これは、薄膜電極４の孔部９の形成が、電子放出量の増加に優位なことを示している。
【００９４】
次に、絶縁体薄膜５の効果について行った実験結果について説明する
電子放出素子１は上記の作成条件に従い、さらに、絶縁体薄膜５の有無のみを変えて素子を作成した（絶縁体薄膜５を備える素子が実施例１、絶縁体薄膜５を備えない素子が比較例３である）。そして、作製された素子を真空中にて連続駆動して、素子表面を観察した。結果を図８及び図９に示す。
【００９５】
図８は、絶縁体薄膜５を積層しない素子（比較例３）を、真空中にて連続駆動した前後の素子表面の拡大写真である。
図８の（１）は、電子放出素子１の動作前における素子表面の拡大写真である。破線で囲った部分は、薄膜電極４の形状を示している。（この実験のみ、薄膜電極４の形状は、１．４Ｘ１．０ｍｍ2角の長方形の形状をしている。）図８の（２）は、電子放出素子１を２０時間連続通電した後の、素子表面の拡大写真である。
【００９６】
図８の（１）及び（２）を参照すると、連続通電をすると、薄膜電極４端部に集中して、黒色変化が生じている。黒色変化は炭素の堆積であることが元素分析結果から確認されている。この現象は、ＳＥＭ等の電子ビームプローブを利用した試料表面の計測装置で生じるコンタミネーション膜として知られている。つまり、計測空間の残留ガス、或いは試料からの放出ガス等が、電子ビームのエネルギーによりハイドロカーボン主体として重合、堆積するのである。この物理現象から推察すると、図８の（２）に示された電子放出素子１は、結果的に薄膜電極４の端部のみから電子放出していたと判断できる。その理由は前述の通り、薄膜電極４端部への電流集中である。
【００９７】
図９は、絶縁体薄膜５を積層した素子を、真空中にて連続駆動した前後の素子表面の拡大写真である。図９における破線で囲った部分は、薄膜電極４の形状を示している。
図９の（１）は、電子放出素子１の動作前における素子表面の拡大写真であり、図９の（２）は、電子放出素子１を２０時間連続通電した後の、素子表面の拡大写真である。
【００９８】
図９を参照すると、図８とは異なり、絶縁体薄膜５の端部に集中した黒色変化は見られない。それ故、電子放出素子１の連続通電に伴う、絶縁体薄膜５端部への電流集中が抑制されたと結論付けられる。
【００９９】
図１０は、図９に示された電子放出素子１を、真空中で駆動したときの電子放出電流Ｉ２の経時変化を示す結果である。図４に示された電子放出実験に用いた測定系のパラメータは、次の通りである。絶縁体スペーサ１３の径は１ｍｍであり、電子放出素子１の駆動電圧であるＶ１を１４．５Ｖ、対向電極１２のＶ２は１５０Ｖとした。
図１０を参照すると、真空中での安定した電子放出特性が得られていることがわかる。
【０１００】
図１１は、図９に示された電子放出素子１を、大気圧中（湿度を１％ＲＨ以下に制御した室内雰囲気を使用）で駆動したときの電子放出電流Ｉ２の経時変化を示す結果である。図４に示された電子放出実験に用いた測定系のパラメータは、次の通りである。絶縁体スペーサ１３の径は１３０μｍであり、電子放出素子１の駆動電圧であるＶ１を１７．０Ｖ、対向電極１２のＶ２は６００Ｖとした。
図１１を参照すると、大気圧中の室内雰囲気下においても、安定した電子放出特性が得られていることがわかる。
【０１０１】
〔絶縁層の変形例〕
図１２は、この発明の実施形態１に係る絶縁体薄膜（絶縁層）の変形例の構成を示す模式図である。
図１２に示すように、絶縁体薄膜５は、第１微粒子層３Ａと第２微粒子層３Ｂとの間に形成され、電極基板２及び薄膜電極４と対向して配置されてもよい。この場合、第１微粒子層３Ａ上に絶縁体薄膜５が形成され、絶縁体薄膜５上に第２微粒子層３Ｂが形成されるとともに、絶縁体薄膜５の開口部に第２微粒子層３Ｂが配置される。絶縁体薄膜５の形状及び平面的な配置は実施形態１と同様に構成される。
絶縁体薄膜５をこのように配置しても、絶縁体薄膜５は、薄膜電極４の端部が微粒子層３に形成される電界の集中を緩和し、このため、異常な電流集中の発生が抑制することができる。
【０１０２】
〔実施の形態２〕
図１３に、この発明の実施形態に係る帯電装置９０及び画像形成装置の一例を示す。
帯電装置９０は、実施形態１の電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とで構成され、感光体ドラム１５の表面を帯電させる装置として用いられる。（この構成は、上記で説明した電子放出装置１０と同じである。）ものである。
また、画像形成装置は、帯電装置９０を備え、帯電装置９０における電子放出素子１は、被帯電体である感光体ドラム１５に対向して配置されている。電子放出素子１に電圧を印加することにより、電子を放出させ、感光体ドラム１５の表面を帯電させる。
なお、この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、感光体ドラム１５の表面から、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置するのが好ましい。
【０１０３】
帯電装置９０として用いられる電子放出装置１０は、長期にわたって連続して駆動できるので、従って帯電装置９０は、長時間安定して用いることができる。また、このような帯電装置９０を有する画像形成装置も長時間安定して用いることができる。
【０１０４】
さらに帯電装置９０として用いられる電子放出装置１０は、面電子源として構成されるので、感光体ドラム１５の回転方向へも幅を持って帯電を行え、感光体ドラム１５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。
【０１０５】
〔実施の形態３〕
図１４に、この発明の実施形態に係る電子線硬化装置１００の一例を示す。電子線硬化装置１００は、実施形態１に係る電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とを有する電子放出装置１０と、電子を加速させる加速電極２１とを備えている。電子線硬化装置１００では、電子放出素子１を電子源とし、放出された電子を加速電極２１で加速してレジスト２２へと衝突させる。一般的なレジスト２２を硬化させるために必要なエネルギーは１０ｅＶ以下であるため、エネルギーだけに注目すれば加速電極は必要ない。しかし、電子線の浸透深さは電子のエネルギーの関数となるため、例えば厚さ１μｍのレジスト２２を全て硬化させるには約５ｋＶの加速電圧が必要となる。
【０１０６】
従来からある一般的な電子線硬化装置は、電子源を真空封止し、高電圧印加（５０〜１００ｋＶ）により電子を放出させ、電子窓を通して電子を取り出し、照射する。この電子放出の方法であれば、電子窓を透過させる際に大きなエネルギーロスが生じる。また、レジストに到達した電子も高エネルギーであるため、レジストの厚さを透過してしまい、エネルギー利用効率が低くなる。さらに、一度に照射できる範囲が狭く、点状で描画することになるため、スループットも低い。
これに対し、電子放出装置１０を用いたこの発明に係る電子線硬化装置は、大気中で動作可能であるため、真空封止の必要がない。また、電子放出装置１０は、大気中でも長期にわたって連続して駆動できるので、電子線硬化装置も長時間安定して用いることができる。さらに、電子放出素子１は電子放出効率が高いため、電子線硬化装置は、効率よく電子線を照射できる。また、電子透過窓を通さないのでエネルギーのロスも無く、印加電圧を下げることができる。面電子源であるためスループットが格段に高くなる。また、パターンに従って電子を放出させれば、マスクレス露光も可能となる。
【０１０７】
〔実施の形態４〕
図１５〜図１８に、この発明の実施形態に係る自発光デバイスの例をそれぞれ示す。
図１５に示す自発光デバイス３１は、実施形態１に係る電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とを有する電子放出装置と、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、および蛍光体３２が積層構造を有する発光部３６と、から成る。
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、この実施形態では１５０ｎｍとした。
【０１０８】
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。
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の電極基板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。
【０１０９】
図１６に示す自発光デバイス３１’は、実施形態１に係る電子放出素子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。
【０１１０】
図１７に示す自発光デバイス３１”は、実施形態１に係る電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７を有する電子放出装置１０を備え、さらに、電子放出素子１の電子加速層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６Ａ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６Ａ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６Ａ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６Ａとして球状シリカ粒子（平均径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。
【０１１１】
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。電子放出素子１は、長期にわたって連続して駆動できるので、自発光デバイス３１，３１’，３１”も長時間安定して用いることができる。なお、自発光デバイス３１，３１’，３１”は、電子放出装置１０が大気中で電子を放出できるため、大気中動作可能であるが、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。
【０１１２】
さらに、図１８に、この発明の実施形態に係る画像表示装置の一例を示す。図１８に示す画像表示装置１４０は、図１７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。
【０１１３】
また、この発明の実施形態に係る画像表示装置として、図１５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。
〔実施の形態５〕
【０１１４】
図１９及び図２０に、この発明の実施形態に係る送風装置の例をそれぞれ示す。以下では、この実施形態に係る送風装置を、冷却装置として用いた場合について説明する。しかし、送風装置の利用は冷却装置に限定されることはない。
図１９に示す送風装置１５０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とを有する電子放出装置１０からなる。送風装置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。
【０１１５】
図２０に示す送風装置１６０は、図１９に示す送風装置１５０に、さらに、送風ファン４２が組み合わされている。図２０に示す送風装置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。
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、従来の送風装置あるいは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、この発明に係る送風装置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。さらに、電子放出素子１は電子放出効率が高いため、送風装置１５０，１６０は、より効率よく冷却することができる。送風装置１５０および送風装置１６０は、大気中動作も可能である。
【０１１６】
この発明は上述した各実施形態および実施例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この発明の技術的範囲に含まれる。例えば、第１微粒子層と第２微粒子層は入れ替えてたとしても、実施形態１の電子放出素子に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
この発明に係る電子放出素子は、長期にわたって連続して駆動できる。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】
【０１１８】
１ 電子放出素子
２ 電極基板（第１電極）
３ 電子加速層 （微粒子層）
３Ａ 第１微粒子層
３Ｂ 第２微粒子層 （絶縁体微粒子層）
４ 薄膜電極（第２電極）
５ 絶縁体薄膜（絶縁層）
５Ａ 開口部
５Ｂ 薄膜電極外形の投影線 （薄膜電極端部の投影線）
６ 微粒子
６Ａ 絶縁性微粒子
６Ｂ 導電性微粒子
７ アモルファスカーボン層 α−カーボン膜（第１電極層）
８Ａ 多孔電極層 （第２電極層）
８Ｂ ベタ電極層 （第２電極層）
９ 孔部 （凹部）
１０ 電子放出装置
１１ 電源
１２ 対向電極
１３ 絶縁性スペーサ
１５ 感光体ドラム
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（発光体）
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
９０ 帯電装置
１００ 電子線硬化装置
１４０ 画像表示装置
１５０ 送風装置
１６０ 送風装置
３３０ 液晶パネル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、
第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、
を備え、
第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記絶縁層が第1電極と接して形成され、前記微粒子層が第２電極と絶縁層との間及び前記前記開口部に配置された請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記絶縁層がシリコーン樹脂で形成された請求項１又は２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
第２電極は、その表面に凹部が形成されている請求項１から３のいずれか1つに記載の電子放出素子。
【請求項５】
第２電極が、前記微粒子層側に形成された第１電極層と、第１電極層上に形成され、第１電極層よりも抵抗値が高い第２電極層と、で構成され、第１電極層の表面に凹部が形成された請求項１から４のいずれか1つに記載の電子放出素子。
【請求項６】
第２電極層は、前記凹部が第１電極層を貫通することにより、前記微粒子層と電気的に接続されている請求項５に記載の電子放出素子。
【請求項７】
第１電極層がアモルファスカーボン層である請求項５又は６に記載の電子放出素子。
【請求項８】
第２電極層が金属層である請求項５から７のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項９】
第２電極層が金、銀、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含む材料で構成された請求項８に記載の電子放出素子。
【請求項１０】
前記微粒子層が絶縁性微粒子で構成された絶縁性微粒子層をさらに備える請求項１から９のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１１】
前記微粒子層は、その層を構成する絶縁性微粒子及び導電性微粒子がシリコーン樹脂により固着している請求項１から１０のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１２】
前記導電性微粒子は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも１つを含む材料で構成され、その粒径が３〜１０ｎｍの平均径である請求項１から１１のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１３】
前記絶縁性微粒子は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の少なくとも１つを含む材料で構成され、その粒径が１０〜１０００ｎｍの平均径である請求項１から１２のいずれか1つに記載の電子放出素子。
【請求項１４】
自発光デバイスにおいて、発光体とともに用いられ、電子を放出して前記発光体を発光させる請求項１から１３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１５】
画像表示装置において、前記自発光デバイスとして用いられる請求項１４に記載の電子放出素子。
【請求項１６】
冷却装置において、ファンと共に用いられ、イオン風を生成してファンと共に被冷却体を冷却する請求項１から１３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１７】
帯電装置において、感光体とともに用いられ、電子を放出して前記感光体を帯電させる請求項１から１３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１８】
画像形成装置において、帯電装置として用いられる請求項１７に記載の電子放出素子。
【請求項１９】
レジストを硬化させる電子線硬化装置において、電子源として用いられ、レジストに電子を衝突させて硬化させる請求項１から１３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項２０】
第１電極と第２電極との間に電圧を印加する電源部を備える請求項１から１３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項２１】
第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備え、第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記絶縁性微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したこと電子放出素子の製造方法であって、
第１電極上に開口部を有する絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に前記開口部を埋め、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層を形成する工程と、
前記微粒子層上に、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項２２】
前記絶縁層を形成する工程が、
紫外線硬化性及び熱硬化性のシリコーン樹脂で層を形成する工程と、
前記シリコーン樹脂で形成された層に熱処理をする工程と、
熱処理された層に所定の遮光パターンを備えるマスクを介して紫外線を照射する工程と、
紫外線の照射後、前記シリコーン樹脂で形成された層の、前記遮光パターンにより紫外線が照射されない部分を除去する工程と、
を備える請求項２１に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項２３】
前記紫外線が照射されない部分を除去する工程が、布により紫外線が照射されない部分を拭き取る工程である請求項２２に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項２４】
前記第２電極を形成する工程は、
前記微粒子層上に、微粒子体を散布する工程と、
前記微粒子体が散布された微粒子層上に、第１電極層を形成する工程と、
前記微粒子体を除去した後に、第１電極層上に第２電極層を形成する工程と、
を備える工程である請求項２１に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項１】
第１電極と、
第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、
第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、
を備え、
第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記絶縁層が第1電極と接して形成され、前記微粒子層が第２電極と絶縁層との間及び前記前記開口部に配置された請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記絶縁層がシリコーン樹脂で形成された請求項１又は２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
第２電極は、その表面に凹部が形成されている請求項１から３のいずれか1つに記載の電子放出素子。
【請求項５】
第２電極が、前記微粒子層側に形成された第１電極層と、第１電極層上に形成され、第１電極層よりも抵抗値が高い第２電極層と、で構成され、第１電極層の表面に凹部が形成された請求項１から４のいずれか1つに記載の電子放出素子。
【請求項６】
第２電極層は、前記凹部が第１電極層を貫通することにより、前記微粒子層と電気的に接続されている請求項５に記載の電子放出素子。
【請求項７】
第１電極層がアモルファスカーボン層である請求項５又は６に記載の電子放出素子。
【請求項８】
第２電極層が金属層である請求項５から７のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項９】
第２電極層が金、銀、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含む材料で構成された請求項８に記載の電子放出素子。
【請求項１０】
前記微粒子層が絶縁性微粒子で構成された絶縁性微粒子層をさらに備える請求項１から９のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１１】
前記微粒子層は、その層を構成する絶縁性微粒子及び導電性微粒子がシリコーン樹脂により固着している請求項１から１０のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１２】
前記導電性微粒子は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも１つを含む材料で構成され、その粒径が３〜１０ｎｍの平均径である請求項１から１１のいずれか１つに記載の電子放出素子。
【請求項１３】
前記絶縁性微粒子は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、及びＴｉＯ2の少なくとも１つを含む材料で構成され、その粒径が１０〜１０００ｎｍの平均径である請求項１から１２のいずれか1つに記載の電子放出素子。
【請求項１４】
自発光デバイスにおいて、発光体とともに用いられ、電子を放出して前記発光体を発光させる請求項１から１３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１５】
画像表示装置において、前記自発光デバイスとして用いられる請求項１４に記載の電子放出素子。
【請求項１６】
冷却装置において、ファンと共に用いられ、イオン風を生成してファンと共に被冷却体を冷却する請求項１から１３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１７】
帯電装置において、感光体とともに用いられ、電子を放出して前記感光体を帯電させる請求項１から１３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１８】
画像形成装置において、帯電装置として用いられる請求項１７に記載の電子放出素子。
【請求項１９】
レジストを硬化させる電子線硬化装置において、電子源として用いられ、レジストに電子を衝突させて硬化させる請求項１から１３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項２０】
第１電極と第２電極との間に電圧を印加する電源部を備える請求項１から１３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項２１】
第１電極と、第１電極上に形成され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極と、第１及び第２電極と前記絶縁層との間に配置され、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層と、を備え、第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、第１電極から放出される電子を前記絶縁性微粒子層で加速させて第２電極を透過するように構成したこと電子放出素子の製造方法であって、
第１電極上に開口部を有する絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に前記開口部を埋め、絶縁性微粒子及び導電性微粒子で構成された微粒子層を形成する工程と、
前記微粒子層上に、前記開口部を挟んで第１電極と対向するとともに、その一部が前記絶縁層と重なるように配置された第２電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項２２】
前記絶縁層を形成する工程が、
紫外線硬化性及び熱硬化性のシリコーン樹脂で層を形成する工程と、
前記シリコーン樹脂で形成された層に熱処理をする工程と、
熱処理された層に所定の遮光パターンを備えるマスクを介して紫外線を照射する工程と、
紫外線の照射後、前記シリコーン樹脂で形成された層の、前記遮光パターンにより紫外線が照射されない部分を除去する工程と、
を備える請求項２１に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項２３】
前記紫外線が照射されない部分を除去する工程が、布により紫外線が照射されない部分を拭き取る工程である請求項２２に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項２４】
前記第２電極を形成する工程は、
前記微粒子層上に、微粒子体を散布する工程と、
前記微粒子体が散布された微粒子層上に、第１電極層を形成する工程と、
前記微粒子体を除去した後に、第１電極層上に第２電極層を形成する工程と、
を備える工程である請求項２１に記載の電子放出素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図５】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図５】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２２２４５２（Ｐ２０１１−２２２４５２Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９３２９８（Ｐ２０１０−９３２９８）
【出願日】平成２２年４月１４日（２０１０．４．１４）
【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２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１４日（２０１０．４．１４）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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