【手続補正書】
【提出日】平成16年9月24日(2004.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】        明細書
【発明の名称】    電子放出素子及びそれを用いたフィールドエミッションディスプレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられた導電性コーティング部とを有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
請求項１記載の電子放出素子において、
前記第１及び第２電極に対して所定の間隔を以って配置した第３電極を更に有し、
前記第１及び第２電極と前記第３電極との間の空間を真空としたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
請求項２記載の電子放出素子において、
前記第３電極に直流のオフセット電圧を印加する電圧源と、
この電圧源と前記第３電極との間に直列配置した抵抗とを更に有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項４】
誘電体によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極に設けられた第１導電性コーティング部と、
その第１コーティング部とは非接触状態で前記第２電極に設けられた第２導電性コーティング部とを更に有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項５】
請求項４記載の電子放出素子において、
前記第１及び第２導電性コーティング部に比べて高い抵抗を有するとともに前記第１及び第２導電性コーティング部に電気的に接触する高抵抗部を、前記スリットに設けたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項６】
請求項４記載の電子放出素子において、
前記第１及び第２電極に対して所定の間隔を以って配置した第３電極を更に有し、
前記第１及び第２電極と前記第３電極との間の空間を真空としたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項７】
請求項６記載の電子放出素子において、
前記第３電極に直流のオフセット電圧を印加する電圧源と、
この電圧源と前記第３電極との間に直列配置した抵抗とを更に有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項８】
圧電材料、電歪材料及び反強誘電材料のうちの少なくとも１種類によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられた導電性コーティング部とを有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項９】
請求項８記載の電子放出素子において、
前記第１及び第２電極に対して所定の間隔を以って配置した第３電極を更に有し、
前記第１及び第２電極と前記第３電極との間の空間を真空としたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項１０】
請求項９記載の電子放出素子において、
前記電界印加部がアクチュエータとしても機能し、その変位動作によって、放出電子量を制御することを特徴とする電子放出素子。
【請求項１１】
請求項９記載の電子放出素子において、
前記第３電極に直流のオフセット電圧を印加する電圧源と、
この電圧源と前記第３電極との間に直列配置した抵抗とを更に有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項１２】
圧電材料、電歪材料及び反強誘電材料のうちの少なくとも１種類によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極に設けられた第１導電性コーティング部と、
その第１コーティング部とは非接触状態で前記第２電極に設けられた第２導電性コーティング部とを更に有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項１３】
請求項１２記載の電子放出素子において、
前記第１及び第２導電性コーティング部に比べて高い抵抗を有するとともに前記第１及び第２導電性コーティング部に電気的に接触する高抵抗部を、前記スリットに設けたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項１４】
請求項１２記載の電子放出素子において、
前記第１及び第２電極に対して所定の間隔を以って配置した第３電極を更に有し、
前記第１及び第２電極と前記第３電極との間の空間を真空としたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項１５】
請求項１２記載の電子放出素子において、
前記電界印加部がアクチュエータとしても機能し、その変位動作によって、放出電子量を制御することを特徴とする電子放出素子。
【請求項１６】
請求項１２記載の電子放出素子において、
前記第３電極に直流のオフセット電圧を印加する電圧源と、
この電圧源と前記第３電極との間に直列配置した抵抗とを更に有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項１７】
２次元的に配列された複数の電子放出素子と、
これら電子放出素子に対してそれぞれ所定の間隔を以って配置した複数の蛍光体とを具え、
前記電子放出素子の各々が、
誘電体によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられた導電性コーティング部とを有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項１８】
請求項１７記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記蛍光体の各々の前記第１及び第２電極に対向する面とは反対側の面に、第３電極をそれぞれ配置し、
前記第１及び第２電極と前記蛍光体との間の空間を真空としたことを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項１９】
請求項１７記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記電子放出素子の各々が、
前記第３電極に直流のオフセット電圧を印加する電圧源と、
この電圧源と前記第３電極との間に直列配置した抵抗とを更に有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項２０】
２次元的に配列された複数の電子放出素子と、
これら電子放出素子に対してそれぞれ所定の間隔を以って配置した複数の蛍光体とを具え、
前記電子放出素子の各々が、
誘電体によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極に設けられた第１導電性コーティング部と、
その第１コーティング部とは非接触状態で前記第２電極に設けられた第２導電性コーティング部とを更に有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項２１】
請求項２０記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記電子放出素子の各々について、
前記第１及び第２導電性コーティング部に比べて高い抵抗を有するとともに前記第１及び第２導電性コーティング部に電気的に接触する高抵抗部を、前記スリットに設けたことを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項２２】
請求項２０記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記蛍光体の各々の前記第１及び第２電極に対向する面とは反対側の面に、第３電極をそれぞれ配置し、
前記第１及び第２電極と前記蛍光体との間の空間を真空としたことを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項２３】
請求項２０記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記電子放出素子の各々が、
前記第３電極に直流のオフセット電圧を印加する電圧源と、
この電圧源と前記第３電極との間に直列配置した抵抗とを更に有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項２４】
２次元的に配列された複数の電子放出素子と、
これら電子放出素子に対してそれぞれ所定の間隔を以って配置した複数の蛍光体とを具え、
前記電子放出素子の各々が、
圧電材料、電歪材料及び反強誘電材料のうちの少なくとも１種類によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられた導電性コーティング部とを有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項２５】
請求項２４記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記蛍光体の各々の前記第１及び第２電極に対向する面とは反対側の面に、第３電極をそれぞれ配置し、
前記第１及び第２電極と前記蛍光体との間の空間を真空としたことを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項２６】
請求項２４記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記電界印加部がアクチュエータとしても機能し、その変位動作によって、放出電子量を制御することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項２７】
請求項２４記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記電子放出素子の各々が、
前記第３電極に直流のオフセット電圧を印加する電圧源と、
この電圧源と前記第３電極との間に直列配置した抵抗とを更に有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項２８】
２次元的に配列された複数の電子放出素子と、
これら電子放出素子に対してそれぞれ所定の間隔を以って配置した複数の蛍光体とを具え、
前記電子放出素子の各々が、
圧電材料、電歪材料及び反強誘電材料のうちの少なくとも１種類によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極に設けられた第１導電性コーティング部と、
その第１コーティング部とは非接触状態で前記第２電極に設けられた第２導電性コーティング部とを更に有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項２９】
請求項２８記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記電子放出素子の各々について、
前記第１及び第２導電性コーティング部に比べて高い抵抗を有するとともに前記第１及び第２導電性コーティング部に電気的に接触する高抵抗部を、前記スリットに設けたことを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項３０】
請求項２８記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記蛍光体の各々の前記第１及び第２電極に対向する面とは反対側の面に、第３電極をそれぞれ配置し、
前記第１及び第２電極と前記蛍光体との間の空間を真空としたことを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項３１】
請求項２８記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記電界印加部がアクチュエータとしても機能し、その変位動作によって、放出電子量を制御することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項３２】
請求項２８記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
前記電子放出素子の各々が、
前記第３電極に直流のオフセット電圧を印加する電圧源と、
この電圧源と前記第３電極との間に直列配置した抵抗とを更に有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子及びそれを用いたフィールドエミッションディスプレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】このような電子放出素子は、駆動用の電極及び接地用の電極を有し、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）やバックライトのような種々のアプリケーションに適用されている（例えば、特許文献１〜５及び非特許文献１〜３参照）。ＦＥＤに適用する場合、複数の電子放出素子を２次元的に配列し、これら電子放出素子に対する複数の蛍光体が、所定の間隔を以ってそれぞれ配置されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の電子放出素子の直進性、すなわち、放出された電子が所定の対象（例えば蛍光体）に直進する程度が良好でなく、放出された電子によって所望の電流密度を確保するためには、比較的高い電圧を電子放出素子に印加する必要がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平１−３１１，５３３号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】特開平７−１４７，１３１号公報（第３頁、図８及び図９）
【特許文献３】特開２０００−２８５，８０１号公報（第５頁、図３）
【特許文献４】特公昭４６−２０，９４４号公報（第１頁、第２図）
【特許文献５】特公昭４４−２６，１２５号公報（第１頁、第２図）
【非特許文献１】安岡・石井、「強誘電体陰極を用いたパルス電子源」、応用物理  第６８巻  第５号  ｐ．５４６〜５５０（１９９９）
【非特許文献２】Ｖ．Ｆ．Ｐｕｃｈｋａｒｅｖ，  Ｇ．Ａ．Ｍｅｓｙａｔｓ，  Ｏｎ  ｔｈｅ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  ｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍ  ｔｈｅ  ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｅｒａｍｉｃ  ｃａｔｈｏｄｅ，  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  Ｖｏｌ．７８，  Ｎｏ．９  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １９９５，  ｐ．５６３３−５６３７
【非特許文献３】Ｈ．Ｒｉｅｇｅ，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ−ａ  ｒｅｖｉｅｗ，  Ｎｕｃｌ．  Ｉｎｓｔｒ．  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈ．  Ａ３４０，  ｐ．８０−８９  （１９９４）
【０００５】また、従来の電子放出素子をＦＥＤに適用した場合、直進性が良好でないためにクロストークが比較的に大きくなる、すなわち、放出された電子が、対応する蛍光体に隣接する蛍光体に入射するおそれが高くなる。その結果、蛍光体のピッチを狭くするのが困難となり、隣接する蛍光体に電子が入射されるのを防止するためにグリッドを設ける必要がある。
【０００６】本発明の目的は、良好な放出電子の直進性を有する電子放出素子及びそれを用いたフィールドエミッションディスプレイを提供することである。
【０００７】本発明の他の目的は、比較的低真空で、非常に低い駆動電圧にて高い電流密度を有する電子放出を実現する電子放出素子及びそれを用いたフィールドエミッションディスプレイを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による電子放出素子は、
誘電体によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられた導電性コーティング部とを有することを特徴とするものである。
【０００９】本発明によれば、第１又は第２電極にパルス電圧を印加すると、電界印加部から電子が放出される。電界印加部を誘電体によって構成することによって、従来の電子放出素子では達成できない良好な直進性を得ることができる。その結果、所望の電流密度を確保するために電子放出素子に印加される電圧が従来に比べて著しく低くなり、消費エネルギーが大幅に低減される。なお、第１及び第２電極を厚膜印刷によって電界印加部に形成することができるので、本発明による電子放出素子は、耐久性及びコスト低減の観点からも好ましい。
【００１０】電子放出素子に印加される電圧を更に低減させるために、前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられた導電性コーティング部を更に有する。この場合、導電性コーティング部によって、電子及び／又はイオンの衝突や発熱による第１及び第２電極の損傷のおそれが著しく軽減する。
【００１１】好適には、前記第１電極に設けられた第１導電性コーティング部と、
その第１コーティング部とは非接触状態で前記第２電極に設けられた第２導電性コーティング部とを更に有する。この場合、第１電極と第２電極との間の等価回路に抵抗が含まれなくなるので、直流カット用のコンデンサが不要となり、高電圧での駆動の必要がなくなるので、電子放出素子に印加される電圧を一層低減することができる。この場合も、第１及び第２導電性コーティング部によって、電子及び／又はイオンの衝突や発熱による第１及び第２電極の損傷のおそれが著しく軽減する。
【００１２】前記第１及び第２導電性コーティング部に比べて高い抵抗を有するとともに前記第１及び第２導電性コーティング部に電気的に接触する高抵抗部を、前記スリットに設けてもよい。この場合、電子放出素子に電圧が印加されると、高抵抗部の電圧は、第１及び第２導電性コーティング部の電圧より高くなり、高抵抗部すなわちスリットにおける電界の集中度が向上する。その結果、高抵抗部を有しない場合に比べて低い印加電圧で電子を放出することができ、消費電力が低減し、かつ、回路の小型化及び高電圧対応部品の省略によるコストダウンを図ることができる。
【００１３】電子の放出を良好に行うために、前記第１及び第２電極に対して所定の間隔を以って配置した第３電極を更に有し、前記第１及び第２電極と前記第３電極との間の空間を真空とするのが好ましい。
【００１４】本発明による他の電子放出素子は、
圧電材料、電歪材料及び反強誘電材料のうちの少なくとも１種類によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられた導電性コーティング部とを有することを特徴とするものである。
【００１５】本発明によれば、第１又は第２電極にパルス電圧を印加した際に、電界印加部が、アクチュエータとしても機能し、屈曲変位させるようにしても良い。その結果、電子放出素子の直進性が更に向上する。
【００１６】電子放出素子に印加される電圧を更に低減させるために、前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられた導電性コーティング部を更に有する。この場合、導電性コーティングによって、電子及び／又はイオンの衝突や発熱による第１及び第２電極の損傷のおそれが著しく軽減する。
【００１７】好適には、前記第１電極に設けられた第１導電性コーティング部と、
その第１コーティング部とは非接触状態で前記第２電極に設けられた第２導電性コーティング部とを更に有する。この場合、第１電極と第２電極との間の等価回路に抵抗が含まれなくなるので、直流カット用のコンデンサが不要となり、高電圧での駆動の必要がなくなるので、電子放出素子に印加される電圧を一層低減することができる。この場合も、第１及び第２導電性コーティング部によって、電子及び／又はイオンの衝突や発熱による第１及び第２電極の損傷のおそれが著しく軽減する。
【００１８】前記第１及び第２導電性コーティング部に比べて高い抵抗を有するとともに前記第１及び第２導電性コーティング部に電気的に接触する高抵抗部を、前記スリットに設けてもよい。この場合、電子放出素子に電圧が印加されると、高抵抗部の電圧は、第１及び第２導電性コーティング部の電圧より高くなり、高抵抗部すなわちスリットにおける電界の集中度が向上する。その結果、高抵抗部を有しない場合に比べて低い印加電圧で電子を放出することができ、消費電力が低減し、かつ、回路の小型化及び高電圧対応部品の省略によるコストダウンを図ることができる。
【００１９】この場合も、電子の放出を良好に行うために、前記第１及び第２電極に対して所定の間隔を以って配置した第３電極を更に有し、前記第１及び第２電極と前記第３電極との間の空間を真空とするのが好ましい。この場合も、電界印加部がアクチュエータとしても機能させるようにしても良い。この結果、その変位動作によって、放出電子量を制御することができる。
【００２０】好適には、前記第３電極に直流のオフセット電圧を印加する電圧源と、この電圧源と前記第３電極との間に直列配置した抵抗とを更に有する。これによって、所望の電流密度を容易に達成することができるとともに、第３電極と第１及び第２電極との間の短絡が防止される。
【００２１】本発明によるフィールドエミッションディスプレイは、
２次元的に配列された複数の電子放出素子と、
これら電子放出素子に対してそれぞれ所定の間隔を以って配置した複数の蛍光体とを具え、
前記電子放出素子の各々が、
誘電体によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられた導電性コーティング部とを有することを特徴とするものである。
【００２２】本発明によれば、電子放出素子の直進性が優れているので、従来の電子放出素子を有する場合に比べてクロストークが小さくなり、蛍光体のピッチを狭くすることができ、かつ、隣接する蛍光体に電子が入射されるのを防止するためにグリッドを設ける必要がなくなる。その結果、本発明によるフィールドエミッションディスプレイは、解像度の向上、装置の小型化及びコスト低減の観点から好ましい。なお、フィールドエミッションディスプレイ内部の真空度が比較的低い場合でも電子の放出が可能であるため、蛍光体励起などの原因で内部の真空度が低下しても電子の放出を維持することができる。なお、従来のフィールドエミッションディスプレイでは、このような真空度の低下に対して、電子放出を維持するためのマージンとして真空空間を比較的大きく確保する必要があり、ディスプレイの薄型化が困難であった。それに対して、本発明では、真空度の低下に対して電子の放出を維持するために真空空間を予め大きく確保する必要がないので、ディスプレイの薄型化が可能となる。
【００２３】電子放出素子に印加される電圧を更に低減させるために、前記第１電極、第２電極及びスリットに導電性コーティングを施す。この場合、導電性コーティングによって、電子及び／又はイオンの衝突や発熱による第１及び第２電極の損傷のおそれが著しく軽減する。
【００２４】好適には、前記第１電極に設けられた第１導電性コーティング部と、
その第１コーティング部とは非接触状態で前記第２電極に設けられた第２導電性コーティング部とを更に有する。この場合、第１電極と第２電極との間の等価回路に抵抗が含まれなくなるので、直流カット用のコンデンサが不要となり、高電圧での駆動の必要がなくなるので、電子放出素子に印加される電圧を一層低減することができる。この場合も、第１及び第２導電性コーティング部によって、電子及び／又はイオンの衝突や発熱による第１及び第２電極の損傷のおそれが著しく軽減する。
【００２５】前記第１及び第２導電性コーティング部に比べて高い抵抗を有するとともに前記第１及び第２導電性コーティング部に電気的に接触する高抵抗部を、前記スリットに設けてもよい。この場合、電子放出素子に電圧が印加されると、高抵抗部の電圧は、第１及び第２導電性コーティング部の電圧より高くなり、高抵抗部すなわちスリットにおける電界の集中度が向上する。その結果、高抵抗部を有しない場合に比べて低い印加電圧で電子を放出することができ、消費電力が低減し、かつ、回路の小型化及び高電圧対応部品の省略によるコストダウンを図ることができる。
【００２６】電子の放出を良好に行うために、前記第１及び第２電極に対して所定の間隔を以って配置した第３電極を更に有し、前記第１及び第２電極と前記第３電極との間の空間を真空とするのが好ましい。
【００２７】本発明による他のフィールドエミッションディスプレイは、
２次元的に配列された複数の電子放出素子と、
これら電子放出素子に対してそれぞれ所定の間隔を以って配置した複数の蛍光体とを具え、
前記電子放出素子の各々が、
圧電材料、電歪材料及び反強誘電材料のうちの少なくとも１種類によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられた導電性コーティング部とを有することを特徴とするものである。
【００２８】本発明によれば、電子放出素子の直進性が更に良好になるので、本発明によるフィールドエミッションディスプレイは、小型化及びコスト低減の観点から更に好ましくなる。
【００２９】電子放出素子に印加される電圧を更に低減させるために、前記第１電極、第２電極及びスリットに導電性コーティングを施す。この場合、導電性コーティングによって、電子及び／又はイオンの衝突や発熱による第１及び第２電極の損傷のおそれが著しく軽減する。
【００３０】好適には、前記第１電極に設けられた第１導電性コーティング部と、
その第１コーティング部とは非接触状態で前記第２電極に設けられた第２導電性コーティング部とを更に有する。この場合、第１電極と第２電極との間の等価回路に抵抗が含まれなくなるので、直流カット用のコンデンサが不要となり、高電圧での駆動の必要がなくなるので、電子放出素子に印加される電圧を一層低減することができる。この場合も、第１及び第２導電性コーティング部によって、電子及び／又はイオンの衝突や発熱による第１及び第２電極の損傷のおそれが著しく軽減する。
【００３１】前記第１及び第２導電性コーティング部に比べて高い抵抗を有するとともに前記第１及び第２導電性コーティング部に電気的に接触する高抵抗部を、前記スリットに設けてもよい。この場合、電子放出素子に電圧が印加されると、高抵抗部の電圧は、第１及び第２導電性コーティング部の電圧より高くなり、高抵抗部すなわちスリットにおける電界の集中度が向上する。その結果、高抵抗部を有しない場合に比べて低い印加電圧で電子を放出することができ、消費電力が低減し、かつ、回路の小型化及び高電圧対応部品の省略によるコストダウンを図ることができる。
【００３２】この場合も、電子の放出を良好に行うために、前記第１及び第２電極に対して所定の間隔を以って配置した第３電極を更に有し、前記第１及び第２電極と前記第３電極との間の空間を真空とするのが好ましい。この場合も、電界印加部がアクチュエータとしても機能させるようにしても良い。この結果、その変位動作によって、放出電子量を制御することができる。
【００３３】好適には、前記第３電極に直流のオフセット電圧を印加する電圧源と、この電圧源と前記第３電極との間に直列配置した抵抗とを更に有する。これによって、所望の電流密度すなわち蛍光体の発光量を容易に達成することができるとともに、第３電極と第１及び第２電極との間の短絡が防止される。
【００３４】
【発明の実施の形態】本発明による電子放出素子及びそれを用いたフィールドエミッションディスプレイの実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００３５】図１Ａは、本発明による電子放出素子の第１の実施の形態の上面図であり、図１Ｂは、そのＩ−Ｉ断面図である。この電子放出素子は、誘電体によって構成された電界印加部１と、その一方の面に形成された第１電極としての駆動電極２と、それと同一面に形成され、駆動電極２とともにスリットを形成する第２電極としてのコモン電極３とを有し、基板４の上に形成される。好適には、この電子放出素子は、放出された電子を良好に捕獲するために、電界印加部１の一方の面に対して所定の間隔を配置した第３電極としての電子捕獲電極５を更に有し、これらの間の空間を真空状態に保持する。また、駆動電極２及びコモン電極３の短絡による破損を防止するために、駆動電極２と図示しない電圧信号源との間に、図示しないコンデンサを直列配置し、及び／又は、コモン電極３と図示しない直流オフセット電圧源との間に、図示しない抵抗を直列配置する。なお、図１Ａにおいては、明瞭のために電子捕獲電極５を省略している。
【００３６】電界印加部１を構成する誘電体として、好適には、比誘電率が比較的高い、例えば１０００以上の誘電体を採用する。このような誘電体としては、チタン酸バリウムの他に、ジルコン酸鉛、マクネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛等又はこれらの任意の組合せを含有するセラミックスや、主成分がこれらの化合物を５０重量％以上含有するものや、前記セラミックスに対して更にランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物若しくはこれらのいずれかの組合せ又は他の化合物を適切に添加したもの等を挙げることができる。例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）の２成分系ｎＰＭＮ−ｍＰＴ（ｎ，ｍをモル数比とする。）においては、ＰＭＮのモル数比を大きくすると、キュリー点が下げられて、室温での比誘電率を大きくすることができる。特に、ｎ＝０．８５−１．０，ｍ＝１．０−ｎで比誘電率３０００以上となり好ましい。例えば、ｎ＝０．９１，ｍ＝０．０９で室温の比誘電率１５０００，ｎ＝０．９５，ｍ＝０．０５で室温の比誘電率２００００が得られる。次に、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、チタン酸鉛（ＰＴ）、ジルコン酸鉛（ＰＺ）の３成分系では、ＰＭＮのモル数比を大きくする他に、正方晶と擬立方晶又は正方晶と菱面体晶のモルフォトロピック相境界（ＭＰＢ：Ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ）付近の組成とすることが比誘電率を大きくするのに好ましい。例えば、ＰＭＮ：ＰＴ：ＰＺ＝０．３７５：０．３７５：０．２５にて比誘電率５５００，ＰＭＮ：ＰＴ：ＰＺ＝０．５：０．３７５：０．１２５にて比誘電率４５００となり、特に好ましい。さらに、絶縁性が確保できる範囲内でこれらの誘電体に白金のような金属を混入して、誘電率を向上させるのが好ましい。この場合、例えば、誘電体に白金を重量比で２０％混入させる。
【００３７】本実施の形態では、駆動電極２は、鋭角を成す角部を有する。駆動電極２には、図示しない電源からパルス電圧が印加され、主に角部から電子が放出される。なお、電子の放出を良好に行うために、駆動電極２とコモン電極３との間のスリットの幅Δを、好適には５００μｍ以下にする。駆動電極２を、高温酸化雰囲気に対して耐性を有する導体、例えば金属単体、合金、絶縁性セラミックスと金属単体との混合物、絶縁性セラミックスと合金との混合物等によって構成し、好適には、白金、パラジウム、ロジウム、モリブデン等の高融点貴金属や、銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を主成分とするものや、白金とセラミックス材料とのサーメット材料によって構成する。更に好適には、白金のみ又は白金系の合金を主成分とする材料によって構成する。また、電極として、カーボン、グラファイト系の材料、例えば、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブも好適に使用される。なお、電極材料中に添加させるセラミックス材料の割合は、５−３０体積％程度が好適である。
【００３８】駆動電極２を形成するに当たり、上記材料を用いて、スクリーン印刷、スプレー、導電性コーティング、ディッピング、塗布、電気泳動法等の各種の厚膜形成方法や、スパッタリング、イオンビーム、真空蒸着、イオンプレーティング、ＣＶＤ、めっき等の各種の薄膜形成手法による通常の膜形成手法に従って形成することができ、好適には、これら厚膜形成手法によって形成される。
【００３９】厚膜形成手法によって駆動電極２を形成する場合、その厚さは、一般的には２０μｍ以下となり、好適には５μｍ以下となる。
【００４０】コモン電極３には、直流のオフセット電圧が印加され、図示しないスルーホールを通じて基板４の裏面から配線として引き出される。
【００４１】コモン電極３は、駆動電極２と同様な材料及び手法によって形成されるが、好適には上記厚膜形成手法によって形成する。コモン電極３の厚さも、一般的には２０μｍ以下とし、好適には５μｍ以下とする。
【００４２】駆動電極２に電気的に接続した配線と、コモン電極３に電気的に接続した配線とを電気的に分離するために、基板４を電気的な絶縁材料で構成するのが好ましい。
【００４３】したがって、基板４を、高耐熱性の金属や、その金属表面をガラスなどのセラミックス材料によって被覆したホーローのような材料によって構成することができるが、セラミックスで構成するのが最適である。
【００４４】基板４を構成するセラミックスとしては、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、スピネル、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス、これらの混合物等を使用することができる。その中でも、酸化アルミニウム及び安定化された酸化ジルコニウムが、強度及び剛性の観点から好ましい。安定化された酸化ジルコニウムは、機械的強度が比較的高いこと、靭性が比較的高いこと、駆動電極２及びコモン電極３との化学反応が比較的小さいことなどの観点から特に好適である。なお、安定化された酸化ジルコニウムとは、安定化酸化ジルコニウム及び部分安定化酸化ジルコニウムを包含する。安定化された酸化ジルコニウムでは、立方晶などの結晶構造をとるため、相転移が生じない。
【００４５】一方、酸化ジルコニウムは、１０００℃前後で単斜晶と正方晶との間を相転移し、このような相転移の際にクラックが発生するおそれがある。安定化された酸化ジルコニウムは、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、希土類金属の酸化物等の安定剤を、１−３０モル％含有する。なお、基板４の機械的強度を向上させるために、安定化剤が酸化イットリウムを含有するのが好適である。この場合、酸化イットリウムを、好適には１．５−６モル％、更に好適には２−４モル％含有し、更に０．１−５モル％の酸化アルミニウムを含有するのが好ましい。
【００４６】また、結晶相を、立方晶＋単斜晶の混合相、正方晶＋単斜晶の混合相、立方晶＋正方晶＋単斜晶の混合相等とすることができるが、その中でも、主たる結晶相を、正方晶又は正方晶＋立方晶の混合相としたものが、強度、靭性及び耐久性の観点から最適である。
【００４７】基板４をセラミックスから構成した場合、比較的多数の結晶粒が基板４を構成するが、基板４の機械的強度を向上させるためには、結晶粒の平均粒径を、好適には０．０５−２μｍとし、更に好適には０．１−１μｍとする。
【００４８】電界印加部１、駆動電極２及びコモン電極３をそれぞれ形成する度に熱処理すなわち焼成して基板４と一体構造にすることができ、また、これら電界印加部１、駆動電極２及びコモン電極３を形成した後、同時に熱処理すなわち焼成して、これらを同時に基板４に一体に結合することもできる。
【００４９】なお、駆動電極２及びコモン電極３の形成手法によっては、一体化のための熱処理すなわち焼成を必要としない場合もある。
【００５０】基板４と、電界印加部１、駆動電極２及びコモン電極３とを一体化させるための熱処理すなわち焼成温度としては、一般に５００−１４００℃の範囲とし、好適には、１０００−１４００℃の範囲とする。さらに、膜状の電圧印加部１を熱処理する場合、高温時に電界印加部１の組成が不安定にならないように、電界印加部１の蒸発源とともに雰囲気制御を行いながら熱処理すなわち焼成を行うのが好ましく、また、電界印加部１を適切な部剤によってカバーし、電界印加部１の表面が焼成雰囲気に直接露出しないようにして焼成する手法を採用するのが好ましい。この場合、カバーする部材としては、基板４と同様な材料を用いることとなる。
【００５１】図２Ａは、本発明による電子放出素子の第２の実施の形態の上面図であり、図２Ｂは、そのＩＩ−ＩＩ断面図である。この電子放出素子は、電界印加部１、駆動電極２及びコモン電極３にそれぞれ対応する電界印加部１１、駆動電極１２及びコモン電極１３の他に、電界印加部１１の他方の面に形成された第４電極としての駆動端子電極１４を更に有し、基板１５の上に形成される。この場合も、好適には、電子放出素子は、放出された電子を良好に捕獲するために、電界印加部１の一方の面に対して所定の間隔を配置した第３電極としての電子捕獲電極１６を更に有し、これらの間の空間を真空状態に保持する。図２Ａにおいても、明瞭のために電子捕獲電極１６を省略している。
【００５２】本実施の形態では、駆動電極１２と駆動端子電極１４との間の電界印加部１１がコンデンサの役割を果たすので、駆動電極１２及びコモン電極１３の短絡による破損を防止するためにコンデンサを別に設ける必要がなくなる。この場合、駆動端子電極１４にパルス電圧が印加されるとともに、コモン電極１３に直流のオフセット電圧が印加される。
【００５３】駆動端子電極１４も、駆動電極１２及びコモン電極１３と同様な材料及び手法によって形成されるが、好適には上記厚膜形成手法によって形成する。駆動端子電極１４の厚さも、一般的には２０μｍ以下、好適には５μｍ以下にする。
【００５４】図３Ａは、本発明による電子放出素子の第３の実施の形態の上面図であり、図３Ｂは、そのＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に電界印加部２１の一方の面に駆動電極２２及びコモン電極２３が形成されるが、これら駆動電極２２及びコモン電極２３の表面には複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が設けられており、これによって、駆動電極２２にパルス電圧を印加するとともに、コモン電極２３に直流のオフセット電圧を印加すると、ＣＮＴの先端から電子が放出されやすくなる。
【００５５】図４Ａは、本発明による電子放出素子の第４の実施の形態の上面図であり、図４Ｂは、そのＩＶ−ＩＶ断面図である。本実施の形態では、第２の実施の形態と同様に電界印加部３１の一方の面に駆動電極３２及びコモン電極３３が形成されるとともにその他方の面に駆動端子電極３４が形成されているが、これら駆動電極３２及びコモン電極３３の表面には複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が設けられており、これによって、駆動端子電極３３にパルス電圧を印加するとともに、コモン電極３３に直流のオフセット電圧を印加すると、ＣＮＴの先端から電子が放出されやすくなる。
【００５６】図５Ａは、本発明による電子放出素子の第５の実施の形態の上面図であり、図５Ｂは、そのＶ−Ｖ断面図である。本実施の形態では、電界印加部４１の一方の面に櫛歯形状の駆動電極４２及びコモン電極４３を形成する。この場合、駆動電極４２にパルス電圧が印加されるとともに、コモン電極４３に直流のオフセット電圧が印加されると、これら駆動電極４２及びコモン電極４３の角部から電子が放出されやすくなる。
【００５７】図６Ａは、本発明による電子放出素子の第６の実施の形態の上面図であり、図６Ｂは、そのＶＩ−ＶＩ断面図である。本実施の形態では、電子放出素子は、反強誘電材料によって構成した電界印加部５１ａ，５１ｂと、その一方の面にそれぞれ形成した櫛歯形状の駆動電極５２ａ，５２ｂ及びコモン電極５３ａ，５３ｂとを有する。
【００５８】電子放出素子は、スペーサ層５４を介して基板５５の上に設けられたシート層５６の上に配置される。これによって、電界印加部５１ａ，５１ｂ、駆動電極５２ａ，５２ｂ、コモン電極５３ａ，５３ｂ、シート層５６及びスペーサ層５４は、アクチュエータ５７ａ，５７ｂをそれぞれ構成する。
【００５９】電界印加部５１ａ，５１ｂを構成する反強誘電材料としては、ジルコン酸鉛を主成分とするもの、ジルコン酸鉛とスズ酸鉛とからなる成分を主成分とするもの、ジルコン酸鉛に酸化ランタンを添付したもの、ジルコン酸鉛とスズ酸鉛とからなる成分に対してジルコン酸鉛やニオブ酸鉛を添加したものを用いるのが好適である。特に、低電圧で駆動させる場合には、ジルコン酸鉛とスズ酸鉛とからなる成分を含む反強誘電材料を用いるのが好適である。この組成は、以下のようになる。
【００６０】ＰＢ０．９９  Ｎｂ０．０２  ［（Ｚｒｘ  Ｓｎ１−ｘ  ）１−ｙ  Ｔｉｙ  ］０．９８  Ｏ３
【００６１】また、反強誘電材料を多孔質にすることもでき、この場合、気孔率を３０％以下にするのが好適である。
【００６２】電界印加部５１ａ，５１ｂを形成するに当たり、上記厚膜形成手法を用いて形成するのが好適であり、微細な印刷を廉価に行うことができるという理由から、スクリーン印刷法が特に好適に用いられる。なお、電界印加部５１ａ，５１ｂの厚さとしては、低作動電圧で大きな変位を得るなどの理由から、スクリーン印刷法が特に好適に用いられる。なお、電界印加部５１ａ，５１ｂの厚さとしては、低作動電圧で大きな変位を得るなどの理由から、好適には５０μｍ以下とし、更に好適には、３−４０μｍとする。
【００６３】このような厚膜形成手法によって、平均粒子径が０．０１−７μｍ程度、好適には０．０５−５μｍ程度の反強誘電材料のセラミック粒子を主成分とするペーストやスラリーを用いて、シート層５６の表面上に膜形成することができ、良好な素子特性が得られる。
【００６４】電気泳動法は、高密度かつ高い形状制御で膜を形成でき、技術文献「ＤＥＮＫＩ  ＫＡＧＡＫＵ  ５３，Ｎｏ．１（１９８５），ｐ６３−６８  安斎和夫著」や、「第１回電気泳動法によるセラミックスの高次成形法  研究討論会  予稿集（１９９８），ｐ５−６．ｐ２３−２４」に記載されているような特徴を有する。したがって、要求精度、信頼性等を考慮して、各種手法を適切に選択して用いるのが好適である。
【００６５】シート層５６は、比較的肉薄に形成され、外部応力に対して振動を受けやすい構造となっている。シート層５６を、好適には高耐熱性材料で構成する。その理由は、図２及び４のように駆動端子電極をシート層５６に直接接合するに当たり、有機接着剤などの耐熱性の比較的低い材料を使用することなくシート層５６を直接支持する構造をとる場合、少なくとも電界印加部５１ａ，５１ｂの形成時にシート層５６が変質するのを防止するためである。なお、シート層５６をセラミックスで構成する場合、図１の基板４と同様に構成する。
【００６６】スペーサ層５４を、好適にはセラミックスから構成するが、それを、シート層５６を構成するセラミックス材料と同一とすることも、それとは異なるセラミックス材料とすることもできる。そのようなセラミックスとしては、シート層５６を構成するセラミックス材料と同様に、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、スピネル、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス、これらの混合物等を使用することができる。
【００６７】スペーサ層５４、基板５５及びシート層５６を構成するセラミックス材料と異なるセラミックス材料としては、酸化ジルコニウムを主成分とする材料、酸化アルミニウムを主成分とする材料、これらの混合物を主成分とする材料等が好適に採用される。その中でも、酸化ジルコニウムを主成分としたものが特に好ましい。なお、焼結助剤として粘土などを添付することもあるが、酸化珪素、酸化ホウ素等のガラス化しやすいものが過剰に含まれないように、助剤成分を調整する必要がある。その理由は、これらガラス化しやすい材料は、電界印加部５１ａ，５１ｂとの接合の観点からは有利であるが、電界印加部５１ａ，５１ｂとの反応を促進し、電界印加部５１ａ，５１ｂが所定の組成を維持するのが困難となり、その結果、素子特性を低下させる原因となるからである。
【００６８】すなわち、スペーサ層５４、基板５５及びシート層５６に含まれる酸化珪素などを、重量比で３％以下、好適には１％以下となるように制限するのが好ましい。ここで、主成分とは、重量比で５０％以上の割合で存在する成分をいう。
【００６９】スペーサ層５４、基板５５及びシート層５６を３層の積層体として構成するのが好適であり、この場合、例えば、一体同時焼成、ガラスや樹脂によって各層を接合一体化又は後付けを行う。なお、４層以上の積層体とすることもできる。
【００７０】本実施の形態のように電界印加部５１ａ，５１ｂを反強誘電体材料によって構成した場合、電界が加えられない状態では、電界印加部５１ｂのように平坦形状となり、それに対して、電界が加えられると、電界印加部５１ａのように凸状に屈曲変位する。このように凸状に屈曲変位することによって、電子放出素子とそれに対向する電子捕獲電極５８との間の間隔が狭くなるので、矢印で示したように発生する電子の直進性が更に良好になる。したがって、この屈曲変位量を以って、電子捕獲電極５８に到達する放出電子量を制御することが可能である。
【００７１】次に、本発明による電子放出素子の動作を説明する。
図７は、本発明による電子放出素子の動作を説明するための図である。この場合、電流制御素子６１は、図１に示す構成を有し、その周辺は、真空チャンバ６２によって真空状態に保持される。また、駆動電極６３とコモン電極６４との間の短絡を防止するために、駆動電極６３と電圧信号源６５との間にコンデンサ６６を直列配置している。駆動電極６３及びコモン電極６４に対向する電子捕獲電極６７には、バイアス電圧Ｖｂが印加される。
【００７２】信号電圧源６５に印加される電圧Ｖ１を−４００Ｖとし、コンデンサ６６の容量を５００ｐＦとし、バイアス電圧Ｖｂを０Ｖとし、駆動電極６３とコモン電極６４とによって形成されるスリットの幅を１０μｍとし、真空チャンバ６２の内部の真空度を１×１０−３Ｐａとした場合、駆動電極６３に流れる電流Ｉ１が２．０Ａとなり、電子捕獲電極６７から取り出されるコレクタ電流Ｉｃの密度が１．２Ａ／ｃｍ２となる。その結果、本発明の電子放出素子によれば、従来の電子放出素子に比べて、低い電圧及び低い真空度で高い電流密度が得られ、その結果、優れた直進性を示す。なお、図７Ｂに示すように、コレクタ電流Ｉｃは、バイアス電圧Ｖｂが高くなるに従って大きくなる。
【００７３】図８は、本発明による他の電子放出素子の動作を説明するための図である。この場合、電流制御素子７１は、図２に示す構成を有し、その周辺は、真空チャンバ７２によって真空状態に保持される。また、駆動電極７３とコモン電極７４との間の短絡を防止するために、駆動電極７３と駆動端子電極７５との間の電界印加部７６がコンデンサの役割を果たす。駆動電極７３及びコモン電極７４には、電子捕獲電極７７が対向する。
【００７４】信号電圧源７８に印加される電圧Ｖ１を−４００Ｖとし、電界印加部７６が５３０ｐＦの容量のコンデンサの役割を果たし、駆動電極７３とコモン電極７４とによって形成されるスリットの幅を１０μｍとし、真空チャンバ７２の内部の真空度を１×１０−３Ｐａとした場合、駆動端子電極７５に流れる電流Ｉ１が２．０Ａとなり、電子捕獲電極７７から取り出されるコレクタ電流Ｉｃの密度が１．２Ａ／ｃｍ２となる。その結果、本発明の他の電子放出素子によれば、従来の電子放出素子に比べて、低い電圧及び低い真空度で高い電流密度が得られ、その結果、優れた直進性を示す。なお、電圧Ｖ１，電流Ｉｃ，Ｉ１，Ｉ２の波形を、図８Ｂにおいて曲線ａ−ｄでそれぞれ示す。
【００７５】図９は、本発明によるＦＥＤの実施の形態を示す図である。このＦＥＤは、２次元的に配列された複数の電子放出素子８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂと、これら電子放出素子８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂに対してそれぞれ所定の間隔を以って配置した赤色蛍光体８２Ｒ、緑色蛍光体８２Ｇ及び青色蛍光体８２Ｂとを具える。
【００７６】本実施の形態では、電子放出素子８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂが基板８３に形成され、赤色蛍光体８２Ｒ、緑色蛍光体８２Ｇ及び青色蛍光体８２Ｂが電子捕獲電極８４を介してガラス基板８５に形成される。電子放出素子８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂは、図２に示す構造を有するが、図１，３−６のうちのいずれかの構造を有することもできる。
【００７７】本実施の形態によれば、電子放出素子８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂの直進性が優れているので、従来の電子放出素子を有する場合に比べてクロストークが小さくなり、蛍光体８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂのピッチを狭くすることができ、かつ、隣接する蛍光体８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂに電子が入射されるのを防止するためにグリッドを設ける必要がなくなる。その結果、本実施の形態のＦＥＤは、小型化及びコスト低減の観点から好ましい。なお、真空度が比較的低い場合でも電子の放出が可能であるので、真空空間を予め大きくして真空度の低下に対するマージンをみる必要がなくなり、ＦＥＤの薄型化の制約が少なくなる。
【００７８】図１０は、本発明による電子放出素子の比誘電率と印加電圧との関係を示す図であり、図１１は、それを説明するための図である。図１０の特性は、図１１に示すように駆動電極９１とコモン電極９２ａ−９２ｃとによって形成されるスリットの幅ｄ１，ｄ２がいずれも１０μｍである場合の電界印加部の比誘電率と、電界の放出に必要な印加電圧との関係を示す図である。
【００７９】図１０に示すように、従来の電子放出素子に比べて低い印加電圧を用いて電子放出素子を駆動させる場合、比誘電率を１０００以上にするのが好ましいことがわかる。
【００８０】図１２は、本発明による電子放出素子のスリット幅と印加電圧との関係を示す図である。図１２から、電子放出現象が生じるためにはスリット幅を５００μｍ以下にする必要があることがわかる。なお、市販のプラズマディスプレイ、蛍光表示管又は液晶ディスプレイで用いられるドライバＩＣで本発明による電子放出素子を駆動するためには、スリット幅を２０μｍ以下にする必要がある。
【００８１】図１３Ａは、本発明による電子放出素子の第７の実施の形態の上面図であり、図１３Ｂは、そのＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。本実施の形態では、電界印加部１０１の一方の側に半円形状の駆動電極１０２及びコモン電極１０３を形成し、駆動電極１０２、コモン電極１０３及びこれらによって形成されたスリットに導電性コーティング部１０４を設ける。
【００８２】図１３に示す構成を有する電子放出素子の動作を、図１４を用いて説明する。この場合、電子放出素子の周辺は、真空チャンバ１１１によって真空状態に保持される。駆動電極１０２とコモン電極１０３との間の短絡を防止するために、駆動電極１０２と電圧信号源１１２との間にコンデンサ１１３を直列配置している。駆動電極１０２及びコモン電極１０３に対向する電子捕獲電極１１４には、蛍光体１１５が設けられ、バイアス電圧Ｖｂが印加される。
【００８３】駆動電極１０２及びコモン電極１０３は、膜厚３μｍのＡｕであり、これら駆動電極１０２及びコモン電極１０３と、その間のスリット部とに対して、カーボンによる導電性コーティング部１０４（膜厚３μｍ）を設けた。信号電圧源１１２に印加されるパルス電圧Ｖｋを２５Ｖとし、コンデンサ１１３の容量を５ｎＦとし、バイアス電圧Ｖｂを３００Ｖとし、電界印加部１０１を、比誘電率が１４０００の電歪材料で構成し、駆動電極１０２とコモン電極１０３とによって形成されるスリットの幅を１０μｍとし、真空チャンバ１１１の内部の真空度を１×１０−３Ｐａとした場合、電子捕獲電極１１４に流れる電流Ｉｃは０．１Ａとなり、駆動電極１０２に流れる電流Ｉ１（０．２５Ａ）に対して約４０％の電流を電子流として取り出しており、駆動電極１０２とコモン電極１０３との間の電圧Ｖｓ、すなわち、電子の放出に必要な電圧が２３．８Ｖとなる。その結果、図１３に示す電子放出素子によれば、電子の放出に必要な電圧を著しく低くすることができる。また、導電性コーティング部１０４によって、電子又はイオンの衝突や発熱によって駆動電極１０２及びコモン電極１０３が損傷されるおそれが著しく軽減される。なお、駆動電極１０２に流れる電流Ｉ１，コモン電極１０３に流れる電流Ｉ２，Ｉｃ及び電圧Ｖｓの波形を、図１４Ｂにおいて曲線ｅ−ｈでそれぞれ示す。
【００８４】導電性コーティング部１０４は、駆動電極１０２及び／又はコモン電極１０３の保護膜として機能する。具体的には、電子放出時にスリット部近傍に生成され、印加電圧により加速されるイオンや電子の衝突や、それに伴う発熱による駆動電極１０２及び／又はコモン電極１０３の損傷を防止する。この観点から、導電性コーティング１０４としては、スパッタ率が小さく、かつ、融点の高い材料から構成されるのが好ましい。
【００８５】なお、導電性コーティング部１０４としては、カーボンの他に、高温酸化雰囲気に対して耐性を有する導体、例えば金属単体、合金、絶縁性セラミックスと金属単体との混合物、絶縁性セラミックスと合金との混合物等によって構成し、好適には、白金、パラジウム、ロジウム、モリブデン等の高融点貴金属や、銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を主成分とするものや、白金とセラミックス材料とのサーメット材料によって構成する。更に好適には、白金のみ又は白金系の合金を主成分とする材料によって構成する。また、導電性コーティング部１０４として、グラファイト系の材料、例えば、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブも好適に使用される。なお、導電性コーティング材料中に添加させるセラミックス材料の割合は、５−３０体積％程度が好適である。導電性コーティング部１０４の抵抗値を、例えば数キロΩ〜１００キロΩとするのが好ましい。導電性コーティング部１０４を、蒸着カーボン（具体例として、サンユー工業社製「ＣＡＲＢＯＮ  ５ＰＣ」を蒸着したもの）、刷り込みカーボン（具体例として、Ｄｅｇｕｓｓａ社製「ＦＷ２００」など）、印刷カーボン等によって形成する。さらに、アルカリ金属やアルカリ土類金属の酸化物、特に酸化マグネシウムの薄膜で被覆された導電性膜も、導電性コーティング部１０４として好適に使用される。
【００８６】図１５Ａは、本発明による電子放出素子の第８の実施の形態の上面図であり、図１５Ｂは、そのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。本実施の形態では、電界印加部１１１の一方の側に半円形状の駆動電極１１２及びコモン電極１１３を形成し、駆動電極１１２に導電性コーティング部１１４ａを形成するとともに、コモン電極１１３に、導電性コーティング部１１４ａとは非接触状態の導電性コーティング部１１４ｂを形成する。
【００８７】このような電子放出素子は、電界印加部１２１の一方の側に駆動電極１２２及びコモン電極１２３を印刷によって形成した後、駆動電極１２２、コモン電極１２３及びこれらによって形成されたスリット１２４に、導電性材料をカーボン蒸着してコーティング部１２５を形成し（図１６Ａ）、スリット１２４に対して、レーザ照射源１２６からレーザビーム１２７を照射し（図１６Ｂ）、導電性コーティング部１２５ａ及びそれとは非接触状態の導電性コーティング部１２５ｂを形成することによって得られる。なお、電界印加部１２１の一方の側に駆動電極１２２及びコモン電極１２３を印刷によって形成した後、導電性コーティング部１２５ａ及びそれとは非接触状態の導電性コーティング部１２５ｂを印刷することによって、図１６Ｃに示す構造の電子放出素子を得ることもできる。また、フォトリソグラフィのような薄膜技術を応用することによって、図１６Ｃに示す構造の電子放出素子を得ることもできる。
【００８８】本発明による電子放出素子の第８の実施の形態によれば、第１の導電性コーティング部及びそれとは非接触状態の第２の導電性コーティング部によって、電子又はイオンの衝突や発熱による駆動電極及びコモン電極の損傷のおそれが著しく軽減されるとともに、電子放出素子を駆動回路で使用した際の駆動電圧が大幅に低減される。このような駆動電圧の大幅な低減について詳細に説明する。上記第７の実施の形態の電子放出素子をジルコニア基板１３１上に配置し、駆動電極１３２をパルス上の信号を発生する信号電圧源１３３に接続するとともに、コモン電極１３４を接地した場合（図１７Ａ）、駆動電極１３２とコモン電極１３４との間の等価回路ａは、抵抗ａ１及びこれに並列接続したコンデンサａ２を有する（図１７Ｂ）。抵抗ａ１を通じて直流が流れるのを防止するために、信号電圧源１３３と電子放出素子との間に直流カット用のコンデンサ１３５が設けられる。それに対して、上記第８の実施の形態の電子放出素子をジルコニア基板１４１上に配置し、駆動電極１４２を、パルス状の信号を発生する信号電圧源１４３に接続するとともに、コモン電極１４４を接地した場合（図１７Ｃ）、駆動電極１４２とコモン電極１４４との間の等価回路ｂはコンデンサｂ１のみを有する（図１７Ｄ）。等価回路ｂが抵抗を有しないので、信号電圧源１４３と電子放出素子との間に直流カット用のコンデンサを設ける必要がなくなる。駆動電圧が直流カット用のコンデンサによって分圧されなくなるので、駆動回路で使用した際の駆動電圧が、上記第７の実施の形態の場合に比べて大幅に低減され、高電圧での駆動が不要となり、その結果、回路を廉価に構成することができる。
【００８９】図１８Ａは、本発明による電子放出素子の第９の実施の形態の上面図であり、図１８Ｂは、そのＩＸ−ＩＸ断面図である。本実施の形態では、電界印加部２０１の一方の側に半円形状の駆動電極２０２及びコモン電極２０３を形成するとともに、駆動電極２０２に導電性コーティング部２０４ａを形成するとともに、コモン電極２０３に、導電性コーティング部２０４ａとは非接触状態の導電性コーティング部２０４ｂを形成する。また、導電性コーティング部２０４ａ，２０４ｂよりも抵抗率が高い材料で構成されるとともに導電性コーティング部２０４ａ，２０４ｂに電気的に接触する高抵抗部２０５を、駆動電極２０２及びコモン電極２０３によって形成されたスリットに設ける。
【００９０】駆動電極２０２とコモン電極２０３との間の等価回路は、図１８Ｃに示すように、駆動電極２０２、導電性コーティング部２０４ａ、高抵抗部２０５、導電性コーティング部２０４ｂ及びコモン電極２０３にそれぞれ対応する端子ｘ１、抵抗ｘ２，ｘ３，ｘ４及び端子ｘ５を有する。電子放出素子に電圧が印加されると、高抵抗部２０５の電圧は、導電性コーティング部２０４ａ，２０４ｂの電圧より高くなり、高抵抗部２０５すなわちスリットにおける電界の集中度が向上する。その結果、低い印加電圧で電子を放出することができ、消費電力が低減し、かつ、回路の小型化及び高電圧対応部品の省略によるコストダウンを図ることができる。
【００９１】図１９は、図１８の電子放出素子の変形例を示す図である。図１９Ａ及び１９Ｂでは、互いに接触しない二つの導電性コーティング部よりも抵抗率が高い材料で構成されるとともにこれら導電性コーティング部に電気的に接触する高抵抗部を、駆動電極及びコモン電極によって形成されたスリットに設ける。図１９Ｃでは、互いに接触しない二つの導電性コーティング部と同一材料で構成されるとともにこれら導電性コーティング部に電気的に接触し、かつ、これら導電性コーティング部よりも肉薄の高抵抗部を、駆動電極及びコモン電極によって形成されたスリットに設ける。このような高抵抗部は、例えば、スリット上の導電性コーティング部にレーザを照射し、駆動電極及びコモン電極上に形成された導電性コーティング部に比べて肉薄の導電性コーティング部を形成することによって、得られる。
【００９２】図２０は、本発明による電子放出素子の第１０の実施の形態を示す図である。本実施の形態では、電子放出素子を酸化ジルコニウム（ジルコニア）基板上に設けたものであり、酸化ジルコニウム基板上には、例えば、図１３に示す電子放出素子（図２０Ａ）、図１５に示す電子放出素子（図２０Ｂ）、図１８に示す電子放出素子（図２０Ｃ）、図１９Ａに示す電子放出素子（図２０Ｄ）、図１９Ｂに示す電子放出素子（図２０Ｅ）及び図１９Ｃに示す電子放出素子（図２０Ｆ）が配置される。既に説明したように、基板を酸化ジルコニウムで構成することは、強度、靭性及び耐久性の観点から好適である。
【００９３】図２１Ａは、本発明による電子放出素子の第１１の実施の形態の上面図であり、図２１Ｂは、そのＸ−Ｘ断面図である。本実施の形態では、電界印加部３０１の一方の側に半円形状の駆動電極３０２及びコモン電極３０３を形成する。
【００９４】図２１に示す構成を有する電子放出素子の場合、すなわち、導電性コーティングを有しない場合でも、２００Ｐａ以下の低い真空度で電子を放出することとを、図２２を用いて説明する。この場合、電子放出素子の周辺は、真空チャンバ３１１によって真空状態に保持される。駆動電極３０２とコモン電極３０３との間の短絡を防止するために、駆動電極３０２と電圧信号源２１２との間にコンデンサ２１３を直列配置している。駆動電極３０２及びコモン電極３０３に対向する電子捕獲電極３１４には、蛍光体３１５が設けられ、バイアス電圧Ｖｂが印加される。
【００９５】駆動電極３０２及びコモン電極３０３の材質は共にＡｕであり、信号電圧源３１２に印加されるパルス電圧Ｖｋを１６０Ｖとし、コンデンサ３１３の容量を５ｎＦとし、バイアス電圧Ｖｂを３００Ｖとし、電界印加部３０１を、比誘電率が４５００の電歪材料で構成し、駆動電極３０２とコモン電極３０３とによって形成されるスリットの幅を１０μｍとし、真空チャンバ３１１の内部の真空度を２００Ｐａ以下とした場合、電子捕獲電極３１４に流れる電流Ｉｃは１．２Ａとなり、駆動電極３０２に流れる電流Ｉ１  （２Ａ）に対して約６０％の電流を電子流として取り出しており、駆動電極３０２とコモン電極３０３との間の電圧Ｖｓ、すなわち、電子の放出に必要な電圧が１５３Ｖとなる。なお、電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉｃ及び電圧Ｖｓの波形を、図２２Ｂにおいて曲線ｉ−ｌでそれぞれ示す。
【００９６】上記のように２００Ｐａ以下の非常に低い真空度で十分な電子放出が可能なのは、導電性コーティング部を有する場合も同様である。
【００９７】本発明による電子放出素子によれば、２００Ｐａ以下の非常に低い真空度で電子を放出することができるので、ＦＥＤを構成する場合、パネル外周部の封止空間を非常に小さくすることができるので、狭額縁パネルを実現することができる。また、複数のパネルを並べてディスプレイを大型化する場合、パネル間の継ぎ目が目立ちにくくなる。さらに、従来のＦＥＤでは、蛍光体などから発生するガスによるＦＥＤの内部空間の真空度が低下し、パネルの耐久性に悪影響を及ぼすおそれがあるが、本発明による電子放出素子を用いたディスプレイによれば、２００Ｐａ以下の非常に低い真空度で電子を放出することができるので、ＦＥＤの内部空間の真空度の低下による悪影響が大幅に軽減され、パネルの耐久性及び信頼性が大幅に向上する。
【００９８】本発明による電子放出素子及びそれを用いたＦＥＤによれば、従来に比べて簡単かつ小型化にすることができる。これについて具体的に説明すると、先ず、ＦＥＤの内部空間の真空度を低くすることができるので、ＦＥＤの外周封止部などの内外圧力差に対する筐体維持構造を簡単かつ小型化にすることができる。
【００９９】また、電子を放出するために必要な印加電圧及び電子捕獲電極に印加すべきバイアス電圧を比較的低くすることができるので、ＦＥＤを耐圧構造とする必要がなくなり、装置全体の小型化及びパネルの薄型化が可能となる。なお、電子捕獲電極に印加すべきバイアス電圧を、０Ｖとしてもよい。
【０１００】また、本発明による電子放出素子の電界印加部を構成するに際し、スピント型の電子放出素子を構成する場合のように特殊な加工を必要とせず、さらに、電極及び電界印加部を厚膜印刷で形成できるので、本発明による電子放出素子及びそれを用いたＦＥＤを、従来に比べて低コストで製造することができる。
【０１０１】さらに、電子を放出するために必要な印加電圧及び電子捕獲電極に印加すべきバイアス電圧を比較的低くすることができるので、耐圧が比較的小さい小型で廉価な駆動ＩＣを使用することができるので、本発明による電界放出素子を用いたＦＥＤを廉価に製造することができる。
【０１０２】本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
例えば、本発明による電子放出素子を、バックライトのような他のアプリケーションに適用することもできる。本発明による電子放出素子は、比較的大量の電子線を比較的低い電圧で放出することができるので、紫外線放射方式が主流であった従来の殺菌装置に代えて、小型かつ高効率の殺菌装置を構成するのに好適である。また、本発明による電子放出素子は、角部を有する他の任意の電極構造を採用することができる。さらに、駆動電極とコモン電極との間の短絡を防止するために、第２電極すなわちコモン電極と直流オフセット電圧源との間に抵抗を直列配置することもできる。
【０１０３】第６の実施の形態において、電界印加部５１ａ，５１ｂを反誘電材料によって構成した場合について説明したが、電界印加部５１ａ，５１ｂを、圧電材料、電歪材料及び反誘電材料のうちの少なくとも１種類によって構成すればよい。圧電材料及び／又は電歪材料を用いる場合、例えば、ジルコン酸鉛（ＰＺ系）を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛を主成分とする材料、亜鉛ニオブ酸鉛を主成分とする材料、マンガンニオブ酸鉛を主成分とする材料、マグネシウムタンタル酸鉛を主成分とする材料、ニッケルタンタル酸鉛を主成分とする材料、アンチモンスズ酸鉛を主成分とする材料、チタン酸鉛を主成分とする材料、マグネシウムタングステン酸鉛を主成分とする材料、コバルトニオブ酸鉛を主成分とする材料又はこれらの任意の組合せを含有する複合材料を用いることができ、これらのうち、ジルコン酸鉛を含有するセラミックスが圧電材料及び／又は電歪材料として最も使用頻度が高い。
【０１０４】圧電材料及び／又は電歪材料をセラミックスとした場合、上記材料に、ランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、タングステン、ニッケル、マンガン、リチウム、ストロンチウム、ビスマス等の酸化物若しくはこれらのいずれかの組合せ又は他の化合物を適切に添加した適切な材料とし、例えばＰＬＺＴ系となるようにその材料に所定の添加物を加えたものも好適に用いられる。
【０１０５】これら圧電材料及び／又は電歪材料の中でも、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛とマグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛とニッケルタンタル酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料、マグネシウムタンタル酸鉛とマグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料、これらの材料の鉛の一部をストロンチウム及び／又はランタンで置換したもの等が好適に用いられ、上記スクリーン印刷などの厚膜形成手法で電界印加部５１ａ，５１ｂを形成する場合の材料として好適である。
【０１０６】多成分系圧電材料及び／又は電歪材料の場合、成分の組成によって、圧電及び／又は電歪特性が変化するが、第６の実施の形態で好適に採用されるマグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛の３成分系材料や、マグネシウムニオブ酸鉛−ニッケルタンタル酸鉛−チタン酸鉛及びマグネシウムタンタル酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛の４成分系材料では、疑立方晶−正方晶―菱面体晶の相境界付近の組成が好ましく、特に、マグネシウムニオブ酸鉛：１５−５０モル％、ジルコン酸鉛：１０−４５モル％、チタン酸鉛：３０−４５モル％の組成や、マグネシウムニオブ酸鉛：１５−５０モル％、ニッケルタンタル酸鉛：１０−４０モル％、ジルコン酸鉛：１０−４５モル％、チタン酸鉛：３０−４５モル％の組成及びマグネシウムニオブ酸鉛：１５−５０モル％、マグネシウムタンタル酸鉛：１０−４０モル％、ジルコン酸鉛：１０−４５モル％、チタン酸鉛：３０−４５モル％の組成が、高圧電定数及び項電気機械結合係数を有する理由から好適に採用される。
【０１０７】第９の実施の形態において、高抵抗部を、導電性材料の分布がまばらになったもの、導電性材料を局所的に破壊、変形若しくは変質させることによって構造変化させたもの、導電性コーティング部を高電圧の印加などによって加工して、導電性材料を局所的に破壊、変形若しくは変質させることによる構造変化若しくは微小クラックを発生させたもの、圧電効果により、電界をかけたときのみスリットが膨張し、それに伴って抵抗値が高くなるもの、又は、圧電効果により微小クラックが入り、それに伴って抵抗値が高くなるものとしてもよい。なお、圧電効果により、電界をかけたときのみスリットが膨張し、それに伴って抵抗値が高くなるものとした場合、製造時の前処理を省略することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子放出素子の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明による電子放出素子の第２の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明による電子放出素子の第３の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明による電子放出素子の第４の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明による電子放出素子の第５の実施の形態を示す図である。
【図６】本発明による電子放出素子の第６の実施の形態を示す図である。
【図７】本発明による電子放出素子の動作を説明するための図である。
【図８】本発明による他の電子放出素子の動作を説明するための図である。
【図９】本発明によるＦＥＤの実施の形態を示す図である。
【図１０】本発明による電子放出素子の比誘電率と印加電圧との関係を示す図である。
【図１１】図１０を説明するための図である。
【図１２】本発明による電子放出素子のスリット幅と印加電圧との関係を示す図である。
【図１３】本発明による電子放出素子の第７の実施の形態を示す図である。
【図１４】図１３の電子放出素子の動作を説明するための図である。
【図１５】本発明による電子放出素子の第８の実施の形態を示す図である。
【図１６】図１５の電子放出素子の製造を説明するための図である。
【図１７】図１５の電子放出素子の効果を説明するための図である。
【図１８】本発明による電子放出素子の第９の実施の形態を示す図である。
【図１９】図１８の電子放出素子の変形例を示す図である。
【図２０】本発明による電子放出素子の第１０の実施の形態を示す図である。
【図２１】本発明による電子放出素子の第１１の実施の形態を示す図である。
【図２２】図２１の電子放出素子の動作を説明するための図である。