(57)【要約】【課題】  放出電子の集束性が向上し、小型化が可能な電子放出装置を提供する。【解決手段】  本発明による電子放出装置は、カソード基板２と、カソード基板２上に配置されたカソード電極３と、電子を通過させる開口部８が形成されたゲート電極５と、ゲート電極５の上方に配置されたメッシュ電極９と、カソード電極３上に配置された電子放出部６と、電子放出部６の下方に配置された磁場発生手段１３とを備える。そして、磁場発生手段１３による所定の磁力とメッシュ電極９に印加する所定の電圧により電子放出部６から放出される電子の集束が制御される構成をなしている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置されたカソード電極と、
電子を通過させる開口部が形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の上方に配置されたメッシュ電極と、
前記カソード電極上に配置された電子放出部と、
前記電子放出部の下方に配置された磁場発生手段と
を備え、前記磁場発生手段による所定の磁力と前記メッシュ電極に印加する所定の電圧により前記電子放出部から放出される電子の集束が制御される構成としたことを特徴とする電子放出装置。
【請求項２】
前記電圧を変化させることにより、前記電子の集束径が制御されることを特徴とする請求項１に記載の電子放出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出装置に関し、特に、磁場発生手段及びメッシュ電極を用いて電子ビームを集束させる電子放出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＦＥＡ（Field Emission Array）型電子放出装置を用いて、表示装置としての電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Display）や、撮像体、フラットパネルセンサ等の開発が進められている。
【０００３】
図７に、従来のＦＥＤの構造の一例を示した。このＦＥＤ２０は、基板２２上にカソード電極２３、絶縁層２４、及びゲート電極２５が順に積層された電子エミッタ構造を有する。絶縁層２４にはカソード電極２３の上面を露出させるエミッタホール３０が形成され、エミッタホール３０のカソード電極２３表面には、電子を放出させるＧＮＦ等の電子放出源２９が設けられている。そして、電子放出源２９を挟みカソード電極２３に対向するように蛍光体２６とアノード電極２７が設けられたアノード基板２８が配置されている。
しかし、このような構造のＦＥＤ２０においては、電子放出源２９から放出された電子ビームを集束させることは困難である。
【０００４】
電子ビームを集束させるために、磁石を用いて電子ビームを集束させる冷陰極撮像板が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。図８に、磁石を用いた冷陰極撮像板の一例を示した。これによれば、円筒型磁石３２及び平板型磁石３３により形成された垂直方向の磁界により、ゲート電極２５の印加電圧で放出され、メッシュ電極３１により引き出された電子ビームを光電変換膜３４表面で集束させることができる。
【非特許文献１】瀧口  吉郎、冷陰極ＨＡＲＰ撮像板、平成１６年度技研公開講演・研究発表予稿集（ＮＨＫ放送技術研究所）、ｐ.５２〜５７（２００４年５月２８日）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような冷陰極撮像板では、電子ビームを集束させることはできるものの、現状の磁石を用いたのでは、装置の大型化をもたらし、フラットパネルセンサやＦＥＤ等に適用した場合、実用化には困難を伴うといった問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、放出電子の集束性が向上し、小型化が可能な電子放出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置されたカソード電極と、電子を通過させる開口部が形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の上方に配置されたメッシュ電極と、前記カソード電極上に配置された電子放出部と、前記電子放出部の下方に配置された磁場発生手段とを備え、前記磁場発生手段による所定の磁力と前記メッシュ電極に印加する所定の電圧により前記電子放出部から放出される電子の集束が制御される構成としたことを特徴とする電子放出装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、放出電子の集束性が向上し、小型化が可能な電子放出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態によるフラットパネルセンサを説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なり、また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることに留意すべきである。
【００１０】
[第１の実施の形態]
（構造）
本実施の形態に係る電子放出装置としてのフラットパネルセンサ１について、図１及び２を参照して説明する。図１に示すように、本実施の形態のフラットパネルセンサ１は、カソード基板２と、カソード基板２上に配置されたカソード電極３と、電子を通過させる開口部８が形成されたゲート電極５と、ゲート電極５の上方に配置されたメッシュ電極９と、カソード電極３上に配置された電子放出部６と、電子放出部６の下方に配置された磁場発生手段１３とを備える。そして、磁場発生手段１３による所定の磁力とメッシュ電極９に印加する所定の電圧により電子放出部６から放出される電子（以下で、「電子ビーム」ともいう。）の集束が制御される構成をなしている。
【００１１】
カソード基板２は、例えば、絶縁性のガラス基板からなる。
【００１２】
カソード電極３は、カソード基板２上に配置されている。カソード電極３は、例えば、クロム（Ｃｒ）等の金属からなる。図２に示すように、カソード電極３は、例えば、約１６μｍ程度の幅を有する帯状に配置されている。複数のカソード電極３は、互いに平行になるように、例えば、約４μｍ程度の間隔で配置されている。なお、図２は、カソード電極３とゲート電極５との配置関係を示したものであり、後述の絶縁層４やアノード基板１２等は省略して示してある。  
【００１３】
カソード電極３の幅及び間隔は適宜変更可能である。一例として、カソード電極３を、例えば、約８５μｍ程度の幅で配置し、例えば、約１５μｍ程度の間隔で配置してもよい。これにより、対応する光電変換膜１０を構成して、例えば、約１００μｍ程度のピッチのピクセルを実現できる。
【００１４】
絶縁層４は、カソード電極３とゲート電極５とを絶縁するためのものであり、例えば、ＳｉＯ２等からなる。絶縁層４は、カソード電極３表面を覆い、エミッタホール７領域のカソード電極３表面を露出するように配置されている。絶縁層４の厚みは、例えば、約１〜３μｍ程度であるのがよい。
【００１５】
電子放出部６は、電子を放出する機能を有するものである。電子放出部６は、カソード電極３表面のエミッタホール７に露出した領域に配置されている。電子を放出するものとしては、略真空中で電界を加えれば電子を放出し、かつナノサイズのものであれば、特に限定されない。例えば、グラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等が挙げられる。好ましくは、例えば、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の直径を有するＧＮＦからなるのがよい。
【００１６】
ゲート電極５は、電子放出部６から電子を引き出すためのものであり、例えば、クロム等の金属からなる。ゲート電極５は、絶縁層４の上面に配置されている。図２に示すように、ゲート電極５は、例えば、約１６μｍ程度の幅を有し、カソード電極３と直交する方向に延びて帯状に形成されている。複数のゲート電極５は、例えば、約４μｍ程度の間隔で配置されている。
【００１７】
ゲート電極５の幅及び間隔は適宜変更可能である。一例として、ゲート電極５を、例えば、約８５μｍ程度の幅に形成し、例えば、約１５μｍ程度の間隔で配置してもよい。これにより、対応する光電変換膜１０を構成して、例えば、約１００μｍ程度のピッチのピクセルを実現できる。
【００１８】
ゲート電極５及び絶縁層４には、図２に示すように、カソード電極３とゲート電極５が交差する領域（以下で、画素領域という。）にカソード電極３の一部を露出させるためのエミッタホール７が複数形成されている。エミッタホール７は、平面視で略円形を有しており、平均直径は、例えば、約１０μｍ程度以下、好ましくは、約１〜８μｍ程度、より好ましくは、約１〜６μｍ程度であるのがよい。
【００１９】
ゲート電極５は、図１又は２に示すように、エミッタホール７と連通した開口部８を有する。開口部８は、平面視で略円形を有しており、平均直径は、例えば、約１０μｍ程度以下、好ましくは、約１〜８μｍ程度、より好ましくは、約１〜６μｍ程度であるのがよい。
ゲート電極５に印加する印加電圧は、例えば、約１０〜５０Ｖ程度である。
【００２０】
メッシュ電極９は、ゲート電極５の印加電圧によって電子放出部６から放出された電子を引き出すためのものであり、複数の開口部を有する網目状の電極である。メッシュ電極９は、ゲート電極５の上方、すなわちゲート電極５と光電変換膜１０の間にそれらに平行に配設されている。メッシュ電極９の材質は、例えば、ステンレススチール等の金属からなる。
メッシュ電極９に印加する印加電圧は、例えば、約１００〜５００Ｖ程度である。
【００２１】
光電変換膜１０は、外部から入射した光により正孔と電子の対を生成するためのものである。光電変換膜１０の材質としては、例えば、アモルファスセレン、水素化アモルファスシリコン、結晶シリコン等が挙げられる。
【００２２】
アノード電極１１は、電子放出部６から放出された電子を光電変換膜１０へと衝突させるためのものである。アノード電極１１は、光を透過可能なＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）からなり、アノード基板１２の下面に形成されている。アノード電極１１は、帯状に形成されており、カソード電極３と同じ方向に延びるように平行に形成されている。
アノード電極１１に印加する印加電圧は、例えば、約１ｋ〜３ｋＶ程度である。
【００２３】
アノード基板１２は、例えば、光を透過可能なガラス基板からなる。
【００２４】
磁場発生手段１３は、カソード基板２の垂直方向に磁界を形成し、電子放出部６から放出された電子を集束するためのものである。磁場発生手段１３としては、例えば、永久磁石又は電磁石を用いることができる。好ましくは、平板状の永久磁石を用いるのがよい。永久磁石としては、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、或いはネオジム磁石等を挙げることができる。中でも、磁束密度が高く、強い磁力を有するネオジム磁石を用いるのが好ましい。
【００２５】
本実施の形態においては、電子ビームの光電変換膜１０表面での集束径は、平板状の永久磁石により所定の磁界が形成された状態で、メッシュ電極９に印加する電圧を変化させることにより制御する。
【００２６】
カソード電極３、メッシュ電極９及びアノード電極１１間のそれぞれの距離は、電子ビームを良好に集束できる範囲で設定される。カソード電極３とメッシュ電極９間の間隔は、例えば、約１〜４ｍｍ程度、メッシュ電極９とアノード電極１１間の間隔は、例えば、約１〜４ｍｍ程度である。また、用いる磁場発生手段１３の磁力の強さや、メッシュ電極９に印加する電圧に応じて、適宜設定することができる。
【００２７】
メッシュ電極９の印加電圧は、例えば、磁力が約５００〜１５００ガウス程度の場合、約１００〜５００Ｖ程度である。印加電圧をこの範囲内で変化させることにより、光電変換膜１０表面に到達する電子ビームの集束径を、例えば、約１０〜１００μｍ程度に集束することができる。
【００２８】
（動作原理）
本実施の形態に係るフラットパネルセンサ１の動作原理は以下の通りである。
まず、外部から入射した光により光電変換膜１０内で正孔と電子の対が生成される。生成された正孔は、アノード電極１１により光電変換膜１０に印加された強い電界によって加速され、光電変換膜１０内で原子と次々に衝突し新たな正孔と電子の対を生成する。こうして形成された正孔が光電変換膜１０の電子ビーム側表面に蓄積される。
【００２９】
一方、カソード電極３に負の電圧を印加し、ゲート電極５には正の電圧を印加して、カソード電極３とゲート電極５との間に形成される電界により電子放出部６を構成するＧＮＦから電子を放出させる。メッシュ電極９にはゲート電極５より高い正の電圧を印加して、放出された電子を光電変換膜１０方向に加速させる。放出された電子は、ビームとなってメッシュ電極９に向って進みつつ、光電変換膜１０に向って加速され、磁場発生手段１３により形成された磁界で集束されて、光電変換膜１０に到達する。
【００３０】
光電変換膜１０に到達した電子は、蓄積された正孔と再結合し、このとき流れる電流を外部回路に出力として取り出すことにより、入射光に対応した信号出力が得られる。
【００３１】
（製造方法）
図３及び４は、本実施の形態によるフラットパネルセンサ１の製造方法を説明する図である。
本実施の形態によるフラットパネルセンサ１の製造方法は、カソード基板２を準備する工程と、カソード基板２上にカソード電極３、絶縁層４及びゲート電極５を順次形成した後、所定の大きさの孔を複数有するレジスト膜１５を形成する工程と、ゲート電極５のレジスト膜１５の孔に対向する面をウェットエッチングにより穿孔すると共に、絶縁層４をエッチングしてエミッタホール７を形成し、カソード電極３を選択的に露出させる工程と、カソード電極３上に電子放出部６を形成する工程と、メッシュ電極９を形成し、次いでアノード基板１２にアノード電極１１及び光電変換膜１０を順に形成した後、カソード基板２の下方に磁場発生手段１３を形成する工程とを有する。
【００３２】
以下に、製造工程を詳述する。
（ａ）まず、図３（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ及びリフトオフ法等により、カソード基板２上にパターニングされた、例えばクロム等からなるカソード電極３を形成する。
【００３３】
（ｂ）次に、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ及びリフトオフ法等により、カソード電極３を覆うように絶縁層４を形成する。更に、フォトリソグラフィ及びスパッタリング法により絶縁層４上に帯状の、例えばクロム等からなるゲート電極５を形成する。ここでゲート電極５は、平面視にて、図２に示したように、エミッタホール７が形成される画素領域でカソード電極３と直交するようにパターニングされる。
【００３４】
（ｃ）次に、図３（ｃ）に示すように、所定の大きさの孔を複数有するレジスト膜１５を形成する。孔の大きさは、電子放出部６を形成する領域と同じ程度の大きさとするのがよい。
【００３５】
（ｄ）次に、図４（ｄ）に示すように、エッチャントとしてフッ酸溶液又はフッ酸と硝酸の混合液等を用いてウェットエッチングすることにより、レジスト膜１５が被覆されていない孔の領域のゲート電極５を除去して、レジスト膜１５の孔と同じパターンの開口部８を有するゲート電極５を形成すると共に、エミッタホール７を形成する。
【００３６】
（ｅ）次いで、蒸着やスパッタ等の方法により、触媒の成膜を行う。触媒の材料としては、遷移金属や貴金属、希土類元素等が用いられ、これらの金属を単独で、又は各金属の粉末を複数混合して合金化したり焼結したりすることにより触媒材料を作製することができる。次いで、リフトオフ法等によりレジスト膜１５を除去する。
【００３７】
（ｆ）次に、図４（ｅ）に示すように、例えば、約４５０〜８００℃程度の成長温度にカソード基板２を昇温して、例えば、ＣＨ４ガスを成長ガスとして用いた熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長法）により、露出したカソード電極３の表面に触媒を成長核としてＧＮＦ６を成長させる。なお、ＣＨ４ガス以外に、Ｃ２Ｈ２、ＣＯ、メターノール、エタノール等のガスを成長ガスとして用いることができる。
【００３８】
（ｇ）次に、図４（ｆ）に示すように、メッシュ電極９を形成し、アノード基板１２にアノード電極１１及び光電変換膜１０を順に形成する。最後に、カソード基板２の下方に、例えば、磁場発生手段１３としての平板状の永久磁石を形成することにより、図１に示すフラットパネルセンサ１が完成する。
【００３９】
（評価試験）
本実施の形態に係るフラットパネルセンサ１を用いて、所定の照度を有する被写体の撮像により電子ビームの集束性能を調べる評価試験を行った。撮像条件としては、被写体（原画）の照度を４００ｌｘとし、カソード電極３とアノード電極１１間に６０Ｖ、カソード電極３とゲート電極５間には３５Ｖの電圧を印加し、メッシュ電極９の印加電圧を１００〜３００Ｖに変化させた。磁場発生手段１３として、平板状のネオジム磁石（１２００ガウス）を用いた。結果を図５及び６に示した。
【００４０】
図６は、磁場発生手段１３を用いない場合の撮像結果である。メッシュ電極９の印加電圧Ｖｍを１００〜３００Ｖ間で変化させても、得られる像はすべて不鮮明で文字を識別することはできなかった。
【００４１】
これに対して、図５に示すように、磁場発生手段１３を用いて、メッシュ電極９の印加電圧Ｖｍを１００〜３００Ｖ間で変化させた場合、Ｖｍ＝１００〜２００Ｖではやや不鮮明であるが文字を識別できる程度の像が得られ、Ｖｍ＝２５０Ｖでは、鮮明な像が得られた。
【００４２】
以上により、従来のような円筒型磁石３２を用いなくても、平板型磁石１３のみでメッシュ電極９の印加電圧を調整することにより、電子ビームを良好に集束することが可能であることがわかった。
【００４３】
本実施の形態によれば、放出電子の集束性が向上すると共に、装置の小型化が可能となる電子放出装置を提供できる。
【００４４】
[その他の実施の形態]
以上、上述した第１の実施の形態によって本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した第１の実施の形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上述した第１の実施の形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００４５】
例えば、上述した各構成の形状、数値、材料等は適宜変更可能である。
また、上述した第１の実施の形態に係る電子放出装置として、フラットパネルセンサに適用した説明をしたが、ＦＥＡ、ＦＥＬ（Field Emission Lump）、ＦＥＤ等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るフラットパネルセンサの模式的断面構造図。
【図２】カソード電極とゲート電極との位置関係を示す模式的平面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るフラットパネルセンサの製造工程の一工程を説明する図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るフラットパネルセンサの製造工程の一工程を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るフラットパネルセンサによる撮像結果を示す図。
【図６】図５で磁石を用いない場合の撮像結果を示す図。
【図７】従来のＦＥＤの模式的断面構造図。
【図８】従来の冷陰極撮像板の模式的一部破断斜視図。
【符号の説明】
【００４７】
１・・・電子放出装置（フラットパネルセンサ）
２・・・カソード基板
３・・・カソード電極
４・・・絶縁層
５・・・ゲート電極
６・・・電子放出部
７・・・エミッタホール
８・・・開口部
９・・・メッシュ電極
１０・・光電変換膜
１１・・アノード電極
１２・・アノード基板
１３・・磁場発生手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図５】
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【図６】
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