(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、間隙を挟んで対向するように配置された引出し電極及び陰極電極と、
前記陰極電極の表面であって前記引出し電極に対向する面上に配置され、前記陰極電極に電気的に接続された、複数の繊維状カーボンと、
を有し、
前記複数の繊維状カーボンの各々は、複数のグラフェンを有し、前記複数のグラフェンが前記繊維状カーボンの各々の軸方向に積層されてなることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記陰極電極と前記繊維状カーボンとの間に第１の層が配置されており、当該第１の層が、その表面に、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物または、Ｎｂ酸化物を有することを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記第１の層は、その表面のうち、前記引出し電極に対向する側面と、前記陰極電極に接触する下面とを除く表面が、Ｔａ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔおよび触媒粒子を構成する材料と同一種類の材料のうちの少なくともいずれか一つからなる第２の層で覆われていることを特徴とする請求項２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つに記載の電子放出素子を複数個配列したことを特徴とする電子源。
【請求項５】
前記複数の電子放出素子を、マトリクス状の配線にそれぞれ電気的に接続したことを特徴とする請求項４に記載の電子源。
【請求項６】
請求項４または５に記載の電子源に対向する位置に、放出された電子の衝突によって画像を形成する画像形成部材を設けたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項７】
繊維状カーボンを用いた電子放出素子の製造方法であって、
間隙を挟んで対向するように引出し電極及び陰極電極が設けられた絶縁性の基板を用意する工程と、
前記陰極電極上に第１の層を形成し、該第１の層の前記引出し電極に対向する側面のみが露出され、該側面及び前記陰極電極に接触する下面を除く表面を前記第１の層の前記側面に比べて繊維状カーボンが成長し難い材料からなる第２の層で覆う工程と、
触媒粒子が付与された前記側面上に繊維状カーボンを形成する工程と、
を有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１の層に比べて繊維状カーボンが成長しない材料は、Ｔａ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ及び触媒粒子を構成する材料と同一種類の材料のうちの少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項７に記載の電子放出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子の放出を行う電子放出素子、およびこれを用いた電子源、及びこれを用いた画像形成装置および電子放出素子の製造方法に関するものである。なお、本発明の画像形成装置は、テレビジョン放送等を表示する装置、テレビ会議システムやコンピューター等の表示装置の他、感光性ドラム等を用いて構成された光プリンター等に用いることができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属に対し１０6Ｖ／ｃｍ以上の強電界をかけて金属表面から電子を放出させる電界放出型（ＦＥ型）電子放出素子が冷電子源の一つとして注目されている。
【０００３】
ＦＥ型の冷電子源が実用化されれば、薄型の自発光画像表示装置が可能となり、消費電力の低減や軽量化にも貢献する。
【０００４】
縦型ＦＥ型の例としては、図１３に示すようにエミッター１３５が基板１３１から略鉛直方向に円錐あるいは四角錐の形状をなしたもの、例えばＣ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，”Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｃａｔｈｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ  ｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４７，５２４８（１９７６）等に開示されたもの（以下スピント型）が知られている。
【０００５】
一方、横形ＦＥの構造を図１４に示す。なお、図中、１４１は基板、１４２はエミッター電極、１４３は絶縁層、１４５はエミッター、１４６はアノード、１４７はアノードに照射される電子ビームの形状をあらわしている。先端が先鋭化されたエミッター１４５と、エミッター先端から電子を引き出すゲート電極１４４とが基板上に平行に配置され、ゲート電極とエミッター電極とが配置された基板の上方にコレクタ（アノード電極）が構成される（ＵＳＰ４７２８８５１、ＵＳＰ４９０４８９５など参照）。
【０００６】
繊維状カーボンを用いた電子放出素子の例としては、特開平８−１１５６５２号公報に、有機化合物ガスを用いて微細な触媒金属上で熱分解を行い、繊維状カーボンを、微細な間隙に堆積させた構成が開示されている。
【０００７】
また、カーボンナノチューブに対する導電層としては、特開平１１−１９４１３４号公報およびヨーロッパ特許ＥＰ０９１３５０８Ａ２号公報にチタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），モリブデン（Ｍｏ）の金属層が示されている。また特開平１１−１３９８１５では導伝性基体としてＳｉが示されている。
【０００８】
従来技術に係る電子放出素子のビーム形状について図１３、１４を用いて説明する。
【０００９】
上述した従来技術に係るスピント型の電子放出素子を示す図１３において、１３１は基板、１３２はエミッター電極、１３３は絶縁層、１３４はゲート、１３５はエミッター電極１３２に接続されたエミッターである。エミッター１３５とゲート１３４間にＶｆを印加すると、エミッター１３５の突起先端の電界が高まり、電子がコーン先端近傍から真空中に取り出される。
【００１０】
エミッター先端の電界はエミッター先端の形状に沿うように、ある有限の面積を持って形成されるため、取り出される電子はエミッター先端の有限の面積から電位に対して、鉛直方向に引き出される。
【００１１】
この時、様々な角度を持つ電子も放出される。その結果、大きな角度成分を持つ電子は結果的にゲート１３４に形成された孔内周面の方向に引き出される。
【００１２】
その結果、円形の孔が形成されている場合に、図中アノード１３６上に得られる電子分布は、ほぼ円形のビーム形状１３７が得られる。つまり得られるビームの形状は引き出すゲートの形状及びエミッターとの距離に密接に関係していることを示している。
【００１３】
電子の引出し方向をそろえた従来技術として図１４に示すような横型ＦＥの構成がある。
【００１４】
図１４において、１４１は基板、１４２はエミッター電極、１４３は絶縁層、１４４はゲート、１４５はエミッターで、また、アノード１４６がエミッターおよびゲートが設置されている基板と対向した基板上に設けられている。
【００１５】
このように構成される横型ＦＥの構成の場合には、エミッター１４５から放出された電子の一部は真空中に取り出される（放出される）が、残りはゲート１４４に取り込まれる。
【００１６】
図１４に示す構成の場合には、アノード１４６に向かう電界ベクトルの方向に対して、電子放出を行う電界ベクトル（エミッター１４５からゲート１４４に向かう電界）が異なる方位を持つ。その結果、電子分布（電子ビームスポット）が大きくなる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来技術の場合には、下記のような問題が生じていた。
【００１８】
前述のスピント型はゲートが基板と積層されて構成されることで、大きなゲート容量と多数のエミッターとの間に寄生容量が形成されていた。さらに駆動電圧が数十ボルトと高く、その構成上、容量性の消費電力が大きい欠点があった。また、陽極（アノード）でのビーム形状は広がってしまうという問題があった。
【００１９】
前述の横型ＦＥでは、素子の持つ容量を低減できる利点はあるものの、エミッターとゲートとの距離が遠いために駆動に数百ボルトを必要とするため、駆動装置が大きくなる欠点があった。また、陽極（アノード）でのビーム形状は広がってしまうという問題があった。
【００２０】
上記スピント型および横型のＦＥ型電子放出素子に対してビーム収束手段を設けることも考えられるが、作製方法の複雑さや、素子面積の増加、電子放出効率の低下等の問題がある。
【００２１】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、素子容量および駆動電圧の低減と電子放出効率の向上を図るとともに、高精細なビームを長期に渡って安定に得ることができる電子放出素子および電子源および画像形成装置および電子放出素子の製造方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の電子放出素子にあっては、基板上に、間隙を挟んで対向するように配置された引出し電極及び陰極電極と、前記陰極電極の表面であって前記
引出し電極に対向する面上に配置され、前記陰極電極に電気的に接続された、複数の繊維状カーボンと、有し、前記複数の繊維状カーボンの各々は、複数のグラフェンを有し、前記複数のグラフェンが前記繊維状カーボンの各々の軸方向に積層されてなることを特徴とする。
また、本発明の電子放出素子の製造方法にあっては、繊維状カーボンを用いた電子放出素子の製造方法であって、間隙を挟んで対向するように引出し電極及び陰極電極が設けられた絶縁性の基板を用意する工程と、前記陰極電極上に第１の層を形成し、該第１の層の前記引出し電極に対向する側面のみが露出され、該側面及び前記陰極電極に接触する下面を除く表面を前記第１の層の前記側面に比べて繊維状カーボンが成長し難い材料からなる第２の層で覆う工程と、触媒粒子が付与された前記側面上に繊維状カーボンを形成する工程と、有することを特徴とする。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００５９】
（第１の実施の形態）
本発明者は、触媒を用いて微小（数ｎｍオーダー）な核（触媒粒子）を形成し、熱分解により上記核から成長した繊維状カーボンと、安定な電気的接合を形成する材料について、検討した。
【００６０】
その結果、繊維状カーボンが触媒を介して成長し、かつ電気的な結合が得られる材料としては、Ｔｉ，ＺｒもしくはＮｂの中から選択された材料であって、その一部分（繊維状カーボンあるいは触媒と接する界面）が酸化したもの、またはＴｉ，ＺｒもしくはＮｂの中から選択された材料の酸化物半導体が好適であることを見出した。
【００６１】
そして、また、詳細な検討の結果、Ｔｉ，ＺｒもしくはＮｂの中から選ばれた材料の酸化物上に触媒粒子（特に好ましくはＰｄ粒子）を配置した部材を用いることで、再現性よく、上記触媒粒子を配置した位置に繊維状カーボンを生成することができることを見出した。
【００６２】
また同時に、繊維状カーボンが成長しない、もしくは成長が遅い材料はＴａ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔおよび触媒材料と同一種類の材料であることを見出した。
【００６３】
これらの材料に対する繊維状カーボンの成長は、積層構成においても成り立つ。例えば、基板上にＣｒを全面に形成し、さらにＣｒの上に酸化チタンの微小領域を形成し、基板全面に酸化パラジウムを被覆した基板を用いると、繊維状カーボンが酸化チタンの上だけに選択成長した。
【００６４】
そこで、上述した、再現性よく、所望の位置に繊維状カーボンを形成する技術を用いた、本発明の実施の形態に係る繊維状カーボンを用いた電子放出素子、電子源および画像形成装置について以下に、従来例と比較しながら述べる。
【００６５】
まず、本願発明者らは、高精細な電子ビームの形成方法についても検討を行った。以下に、高精細ビームの形成方法について述べる。
【００６６】
一般に、ＦＥ素子の動作電圧Ｖｆは、ポアソン方程式によって導かれるエミッター先端部の電界と、その電界とエミッター部の仕事関数をパラメーターとしてＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式と呼ばれる関係式に従って求められる電子放出電流の電流密度によって決定される。
【００６７】
また、電子放出に必要な電界は、エミッター先端とゲート電極間の距離ｄが小さいほど、またエミッター先端の半径ｒが小さいほど得られる電界が大きくなる。
【００６８】
一方、陽極上で得られる電子ビームにおけるＸ方向の最大の大きさＸｄ（例えば図１３における円形ビーム形状１３７の中心からの最大到達距離）は、単純な計算では、√（Ｖｆ／Ｖａ）に比例する形で表される。
【００６９】
この関係から明らかなようにＶｆの増大はビーム径の増大を招く。
【００７０】
また、この考察から、Ｖｆを下げるためには極力距離ｄ及び曲率ｒを小さくしなければならない。
【００７１】
従来構成のビーム形状について、図１３及び図１４を用いて説明する。なお、図中、共通の番号として１３１，１４１は基板、１３２，１４２はエミッター電極、１３３，１４３は絶縁層、１３５、１４５はエミッター、１３６，１４６はアノード、１３７，１４７はアノードに照射される電子ビームの形状をあらわしている。
【００７２】
前述したスピント型の場合は図１３に示すように、エミッター１３５とゲート１３４間にＶｆを印加すると、エミッター１３５の突起先端の電界が高まり、電子がコーン状のエミッター先端近傍から真空中に取り出される。
【００７３】
エミッター１３５先端の電界は、エミッター１３５先端の形状に沿うように、ある有限の面積を持って形成されるため、取り出される電子はエミッター１３５先端の有限の面積から電位に対して、鉛直方向に引き出される。
【００７４】
この時、様々な角度を持つ電子が放出されるが、大きな角度成分を持つ電子はゲートの方向に引き出されることになる。円形のゲート１３４が形成されている場合には、アノード１３６上に得られる電子分布は、図に示すようにほぼ円形のビーム形状１３７となる。
【００７５】
つまり、得られるビームの形状は引き出すゲートの形状及びエミッターとの距離に密接に関係している。
【００７６】
電子の引出し方向をそろえた横型ＦＥ（図１４）の場合には、エミッター１４５とゲート１４４との間に、基板１４１表面に実質的に平行な非常に強い電界（横方向電界）が生じ、その結果、エミッター１４５から放出された電子はゲート１４４上において、一部の電子１４９は真空中に取り出され残りの電子はゲート電極１４４に取り込まれる。
【００７７】
この図１４に示す構成の場合には、アノード（アノード電極）１４６に向かう電界ベクトルの方向に対して、電子放出を行う電界ベクトル（エミッター１４５からゲート１４４に向かう電界）が異なる方位を持つ。そのため、放出された電子がアノード１４６上で形成する電子分布（ビームスポット）が大きくなる。
【００７８】
ここで、さらに電子がエミッター１４５から引き出される電界（ここでは便宜的に、「横方向電界」と呼び、エミッター形状による電界の増強効果は無視する）とアノードに向かう電界（ここでは「縦方向電界」と呼ぶ）について考える。
【００７９】
尚、上記「横方向電界」は、図１３および図１４の構成において、「基板１３１（１４１）の表面と実質的に平行な方向における電界」と言う事も出来る。また、特に図１４の構成においては「ゲート１４４とエミッター１４５とが対向する方向における電界」とも言う事が出来る。
【００８０】
また、上記「縦方向電界」とは、図１３および図１４の構成において、「基板１３１（１４１）の表面と実質的に垂直な方向における電界」、あるいは「基板１３１（１４１）とアノード１３６（１４６）とが対向する方向における電界」と言う事も出来る。
【００８１】
前述したように、エミッター１４５から放出された電子は最初、横方向電界によって引き出され、ゲート１４４方向に向かった後に、縦方向電界によって引き上げられアノード１４６に到達する。
【００８２】
このとき横方向電界と縦方向電界の強度比および電子放出点の相対位置が重要となる。
【００８３】
横方向電界が、縦方向電界と比較して桁が異なる程度に強い場合には、エミッターから取り出された電子のほとんどは、横方向電界によって形成される放射状電位によって次第に軌道を曲げられ、ゲートに向かう軌道をとる。ゲートに衝突した電子の一部は、散乱によって再び放出されるが、放出後、縦方向電界に捉えられるまでは、何度も楕円に似た軌道を描いてゲート上を広がりながら、同時に放出される電子の数を減じながら散乱を繰り返す。そして、散乱した電子が、ゲート電位の作る等電位線を越えると（これを「淀み点」と呼ぶことがある）、ここで初めて縦方向電界によって引き上げられるようになる。
【００８４】
横方向電界と縦方向電界が同程度の場合には、取り出された電子は、やはり放射状電位によって軌道が曲げられるものの、電界による束縛がゆるくなり、ゲート１４４に衝突することなしに縦方向電界に捉えられる電子軌道が出現する。
【００８５】
この横方向電界と縦方向電界が同程度の時、エミッター１４５からの電子の放出点位置を、ゲート１４４の属する平面からアノード１４６の属する平面側に次第に持ち上げる（図６参照）と、放出された電子は全くゲート１４４に衝突せずに、縦方向電界に捉えられる軌道を描くことが可能であることが分かった。
【００８６】
また、この電界比の検討を行った結果、ゲート電極１４４とエミッター電極１４５の先端との間隔をｄ、素子を駆動したときの電位差（ゲート電極とエミッター電極との電位差）をＶ１、陽極（アノード）と基板（素子）との距離をＨ、陽極（アノード）と陰極（エミッター電極）との電位差をＶ２とした時、横方向電界が縦方向電界の５０倍以上大きくなると、取り出された電子がゲートに衝突する軌道が描かれることを見出した。
【００８７】
また、本発明者は、ゲート電極２上での散乱を実質的に生じない高さｓ（ゲート電極２表面の一部を含み、基板１表面と実質的に平行な平面と、電子放出部材（繊維状カーボン４）の表面を含み、基板１表面と実質的に平行な平面との距離で定義される（図６参照））が存在することを見出した。上記高さｓは、縦方向電界と横方向電界との比（縦方向電界強度／横方向電界強度）に依存し、縦−横方向電界比が低いほど、その高さが低く、横方向電界が大きいほど高さが必要である。
【００８８】
実用的な製造上の範囲としては、その高さｓは１０ｎｍ以上１０μｍ以下である。
【００８９】
図１４に示した従来の構成では、ゲート１４４とエミッター（１４２，１４５）とが同一平面上に、同じ高さで構成されているだけでなく、横方向電界が縦方向電界と比較して一桁以上強いため、ゲートに衝突することに起因して、真空中に取り出される電子の量が減少する傾向が強かった。
【００９０】
さらに、従来の構成では横方向の電界強度を強めることを目的として、ゲート電極の厚さや幅、および、ゲート，エミッター，アノードの相対位置が決められていたため、アノードに得られる電子分布は広がっていた。
【００９１】
前述したように、アノード１４６に到達する電子の分布を小さくするには、１）駆動電圧（Ｖｆ）を下げる、２）電子の引出し方向を揃える、３）電子の軌道、さらに、ゲートでの散乱がある場合には４）電子の散乱機構（特に弾性散乱）を考慮しなければならない。
【００９２】
そこで、本発明の実施の形態に係る繊維状カーボンを用いた電子放出素子においては、アノード電極上に照射される電子分布の微細化と、電子放出効率の向上（ゲート電極に吸収される放出電子の低減）との両立を実現するものである。
【００９３】
以下、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の構成について、図面を参照して更に詳しく説明する。
【００９４】
図１は本発明の電子放出素子の一例を表す模式図であり、図１（Ａ）はその平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中Ａ−Ａ断面図である。図６は本発明の電子放出素子の上方にアノード電極を配置した本発明の電子放出装置を駆動している時の様子を示す模式断面図である。
【００９５】
図１、図６において、１は絶縁性の基板、２は引出し電極（「ゲート電極」あるいは「第２電極」とも言う）、３は陰極電極（「第１電極」あるいは「カソード電極」とも言う）、４はエミッター材料（「電子放出材料」あるいは「電子放出部材」とも言う）である繊維状カーボン、５は繊維状カーボンを選択成長させるための第１の層であり、前述した、Ｔｉ，Ｚｒ，もしくはＮｂの中から選ばれた材料の酸化物である。電子放出材料を構成する繊維状カーボン４と電極３とは電気的に接続される。６は第２の層である。
【００９６】
本発明の実施の形態において、重要な構造は、陰極電極３と引出し電極２が基板表面上に間隔を置いて配置され、陰極電極３の、引出し電極２に対向する面上に複数の繊維状カーボンが配置されていることにある。換言すると、陰極電極３と引出し電極２との間隙内の前記陰極電極３上に、陰極電極３と引出し電極２が向かい合う方向に伸びた複数の繊維状カーボンが配置される。この様な構成により、より低電界で電子を放出することができる。
【００９７】
そして、さらに、本発明の実施の形態において、重要な構造は、不要な電子が放出されないように、上記繊維状カーボンが、引出し電極２に対向する面以外には配置されない様にすることにある。この様にすることで、アノード電極に照射される電子ビームの広がりが抑制することができる。
【００９８】
図１の例においては、繊維状カーボンが形成される領域を制御するために、第１の層５および第２の層６を設けている。即ち、第１の層５は、繊維状カーボン４が成長する材料で構成されており、一方、第２の層６は、第１の層５に比べて繊維状カーボン４が成長しない材料で構成されている。尚、上記第１の層および第２の層は導電性であることが好ましい。特に第２の層は、真空中に露出するため、導電性であることが特に好ましい。また、図１のような構成においては、第１の層５が導電性でないと、陰極電極３と繊維状カーボンとの電気的な接続がとれないので、第１の層５は導電性である材料を選択することが好ましい。
【００９９】
ここでは、第２の層６を配置した例を示したが、必ずしもこの層は必要ない。例えば、陰極電極３をＴｉ，Ｚｒ，もしくはＮｂの中から選ばれた材料から構成し、その表面の中で引出し電極２に対向する面のみを酸化する（第１の層を配置する）ことによって本発明の電子放出素子を構成することもできる。
【０１００】
また、図１に示した形態においては、第１の層５はその全てを酸化物とする必要はなく、少なくとも、第１の層５の表面の中で引出し電極２に対向する面のみ酸化物としてもよい。この様にすれば、第２の層を必ずしも配置する必要はない。また、第１の層の厚みが厚い場合においても陰極電極３と繊維状カーボンとの電気的接続性が増す。
【０１０１】
また、陰極電極３をＴｉ，Ｚｒ，もしくはＮｂの中から選ばれた材料から構成し、その表面（引出し電極２に対向する面を含む）を酸化し、引出し電極２に対向する面（繊維状カーボンを配置する面）以外の表面を、Ｔｉ，Ｚｒ，もしくはＮｂの中から選ばれた材料の酸化物に比べて繊維状カーボンの成長が行われない材料からなる層（前記第２の層）で被覆することによっても本発明の実施の形態に係る電子放出素子を構成することもできる。
【０１０２】
本発明の実施の形態に係る電子放出装置においては、図１，図６に示したように、電子放出部材（繊維状カーボン４）の表面を含み、基板１表面と実質的に平行な平面が、ゲート電極２表面の一部を含み、基板１表面と実質的に平行な平面に対して、基板表面よりも離れた位置に配置されることが好ましい。
【０１０３】
換言すると、本発明の電子放出装置においては、電子放出部材（繊維状カーボン４）の表面の一部を含み、基板１表面に実質的に平行な平面が、引出し電極２の表面の一部を含み、前記基板表面に実質的に平行な平面と、アノード電極６１との間に配置される。この様な構成とすることで、ゲート電極に吸い込まれる電子の低減と、アノード電極上に照射される電子ビームのスポット径の低減とを実現することができる。
【０１０４】
また、さらには、本発明の電子放出素子においては、ゲート電極２上での散乱を実質的に生じない、高さｓ（ゲート電極２表面の一部を含み、基板１表面と実質的に平行な平面と、電子放出部材（繊維状カーボン４）の表面を含み、基板１表面と実質的に平行な平面との距離で定義される）に電子放出部材（繊維状カーボン４）が配置される。
【０１０５】
上記ｓは、縦方向電界と横方向電界の比（縦方向電界強度／横方向電界強度）に依存し、縦方向電界と横方向電界比が低いほど、その高さが低く、横方向電界が大きいほど高さが必要であるが、実用的な範囲として、高さｓは１０ｎｍ以上１０μｍ以下である。
【０１０６】
この様な構成は、例えば、陰極電極３の厚みを引出し電極２の厚みよりも厚くすることで簡易に実現することができる。あるいは、また、陰極電極３の厚みと引出し電極２の厚みをと同等に形成し、陰極電極上に前記第１の層を配置することでも実現することができる。
【０１０７】
そして、また、本発明の実施の形態に係る電子放出装置においては、図６に示した構成において、陰極電極３とゲート電極２との間隙の距離をｄ、電子放出素子を駆動したときの電位差（陰極電極３とゲート電極２間の電圧）をＶｆ、アノード電極６１と素子が配置された基板１表面との距離をＨ、アノード電極６１と陰極電極３との電位差をＶａとした時、駆動時の電界（横方向電界）：Ｅ１＝Ｖｆ／ｄは、アノード−カソード間の電界（縦方向電界）：Ｅ２＝Ｖａ／Ｈの１倍以上５０倍以下に設定される。
【０１０８】
このようにすることにより、陰極電極３側から放出された電子がゲート電極２に衝突する割合をほぼ無くすことができる。その結果、放出された電子ビームの広がりが極めて少なく、高効率な、電子放出素子および電子放出装置が得られる。
【０１０９】
尚、本実施の形態で言う「横方向電界」は、「基板１の表面と実質的に平行な方向における電界」と言う事が出来る。あるいは、また、「ゲート２とカソード電極３とが対向する方向における電界」とも言う事が出来る。また、本実施の形態で言う「縦方向電界」とは、「基板１の表面と実質的に垂直な方向における電界」、あるいは「基板１とアノード電極６１とが対向する方向における電界」と言う事も出来る。
【０１１０】
絶縁性の基板１としては、その表面を十分に洗浄した、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を減少させてＫなどに一部置換したガラス、青板ガラス及びシリコン基板等にスパッタ法等によりＳｉＯ2を積層した積層体、アルミナ等のセラミックスの絶縁性基板等を用いることができる。
【０１１１】
引出し電極２および陰極電極３は導電性を有しており、蒸着法やスパッタ法等の一般的真空成膜技術、あるいはフォトリソグラフィー技術により形成される。
【０１１２】
引出し電極２および陰極電極３の材料としては、例えば、炭素、金属、金属の窒化物、金属の炭化物、金属のホウ化物、半導体、半導体の金属化合物から適宜選択される。
【０１１３】
また、引出し電極２および陰極電極３の厚さとしては、数十ｎｍから数十μｍの範囲で設定される。好ましくは炭素、金属、金属の窒化物、金属の炭化物の耐熱性材料が望ましい。
【０１１４】
なお、この電極の厚さが薄いために電位降下などが心配される時、あるいはマトリクス配列でこの素子を用いる場合には、必要に応じて低抵抗の配線用金属材料が電子放出に関与しない部分で用いられることがある。
【０１１５】
引出し電極２と陰極電極３の間隔（間隙の幅）と駆動電圧は、用いる陰極材料の電子放出電界（横方向電界）と画像形成に必要な縦方向電界との電界を比較した時に、電子放出電界が縦方向電界よりも１倍から５０倍程度の値になるように設計することが好ましい。
【０１１６】
本発明の実施の形態において、エミッター（電子放出部材）は、繊維状カーボン４から構成される。
【０１１７】
また、繊維状カーボンは、触媒を用いて微小な核を形成し、熱分解により核から成長したものが良い。
【０１１８】
ここで、「繊維状カーボン」とは、「炭素を主成分とする柱状物質」あるいは、「炭素を主成分とする線状物質」ということもできる。また、「繊維状カーボン」とは、「炭素を主成分とするファイバー」ということもできる。そして、また、本発明の実施の形態における「繊維状カーボン」とは、より具体的には、カーボンナノチューブ，グラファイトナノファイバー，アモルファスカーボンファイバーを含む。そして、中でも、グラファイトナノファイバーが電子放出部材として最も好ましい。
【０１１９】
引出し電極２と陰極電極３の間隔および駆動電圧については、前述したとおり、用いる陰極材料の電子放出電界（横方向電界）と画像形成に必要な縦方向電界との電界を比較した時に、電子放出電界が縦方向電界よりも１倍から５０倍程度の値になるように設計することが好ましい。
【０１２０】
陽極（アノード電極）上に蛍光体などの発光体を配置する場合は、必要な縦方向電界は１０-1Ｖ／μｍ以上１０Ｖ／μｍ以下の範囲が好ましい。例えば、陽極（アノード電極）と陰極電極との間隔を２ｍｍとし、その間隔に１０ＫＶを印加する場合、この時の縦方向電界は５Ｖ／μｍとなる。この場合、用いるべきエミッター材料（電子放出部材）の電子放出電界は５Ｖ／μｍよりも大きな電子放出電界を持つ材料であり、選択した電子放出電界に相当するように、その間隔と、駆動電圧を決めればよい。
【０１２１】
このような数Ｖ／μｍの閾値電界を持つ材料として、上述の繊維状カーボンが好適となる。
【０１２２】
図１１，図１２に本発明に好適な繊維状カーボンの形態の一例を示す。各図では一番左側に光学顕微鏡レベル（〜１０００倍）で見える形態、中央は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）レベル（〜３万倍）で見える形態、右側は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）レベル（〜１００万倍）で見えるカーボンの形態を模式的に示している。
【０１２３】
図１１に示すようにグラフェンが円筒形状（円筒形が多重構造になっているものはマルチウォールナノチューブと呼ばれる）の形態をとるものはカーボンナノチューブと呼ばれ、特にチューブ先端を開放させた構造の時に、最もその閾値が下がる。
【０１２４】
あるいは、比較的低温で生成される繊維状カーボンを図１２に示す。この形態の繊維状カーボンは、グラフェンの積層体（このため「グラファイトナノファイバー」と呼ばれることがあるが、温度によりアモルファス構造の割合が増加する）で構成されている。より具体的には、グラファイトナノファイバーは、その長手方向（ファイバーの軸方向）にグラフェンが積層されたファイバー状の物質を指す。また、換言すると、図１２に示す様に、複数のグラフェンが、ファイバーの軸に対して非平行に配置され、積層されたファイバー状の物質である。
【０１２５】
一方のカーボンナノチューブは、その長手方向（ファイバーの軸方向）を囲むよう（円筒形状）にグラフェンが配置されているファイバー状の物質である。換言すると、グラフェンがファイバーの軸に対して実質的に平行に配置されるファイバー状の物質である。
【０１２６】
尚、グラファイトの１枚面を「グラフェン」あるいが「グラフェンシート」と呼ぶ。より具体的には、グラファイトは、炭素原子がｓｐ2混成により共有結合でできた正六角形を敷き詰める様に配置された炭素平面が、３．３５４Åの距離を保って積層してできたものである。この一枚一枚の炭素平面を「グラフェン」あるいは「グラフェンシート」と呼ぶ。
【０１２７】
いずれの繊維状カーボンも電子放出の閾値が１〜１０Ｖ／μｍ程度であり、本発明のエミッター（電子放出部材）の材料として非常に好適である。
【０１２８】
特に、グラファイトナノファイバーを用いた電子放出素子では、図１などに示した本発明の実施の形態の素子構造に限らず、低電界で電子放出を起こすことができ、大きな放出電流を得ることができ、簡易に製造ができ、安定な電子放出特性をもつ電子放出素子を得ることが出来る。
【０１２９】
例えば、グラファイトナノファイバーをエミッターとし、このエミッターからの電子放出を制御する電極を用意することで電子放出素子とすることができ、さらに、グラファイトナノファイバーから放出された電子の照射により発光する発光体を用いればランプなどの発光装置を形成することができる。
【０１３０】
また、さらには、上記グラファイトナノファイバーを用いた電子放出素子を複数配列すると共に、蛍光体などの発光体を有するアノード電極を用意することでディスプレイなどの画像表示装置をも構成することができる。
【０１３１】
グラファイトナノファイバーを用いた電子放出装置や発光装置や画像表示装置においては、内部を従来の電子放出素子のように超高真空に保持しなくても安定な電子放出をすることができ、また、低電界で高い電子放出量を確保できるため、信頼性の高い装置を非常に簡易に製造することができる。
【０１３２】
上記した繊維状カーボンは、触媒（炭素の堆積を促進する材料）を用いて炭化水素ガスを分解して形成することができる。カーボンナノチューブとグラファイトナノファイバーは触媒の種類、及び分解の温度によって異なる。
【０１３３】
前記触媒材料としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、もしくはこれらの中から選択された材料の合金（特にはＰｄとＣｏの合金が好ましい）が繊維状カーボン形成用の核として用いることが出来る。
【０１３４】
特に、Ｐｄにおいては低温（４００℃以上の温度）でグラファイトナノファイバーを生成することが可能である。一方、ＦｅまたはＣｏを触媒として用いた場合、カーボンナノチューブの生成温度は８００℃以上必要である。Ｐｄを用いてのグラファイトナノファイバー材料の作成は、低温で可能なため、他の部材への影響や、製造コストの観点からも好ましい。
【０１３５】
さらにＰｄにおいては、酸化物が水素により低温（室温）で還元される特性を用いて、核形成材料として酸化パラジウムを用いることが可能である。
【０１３６】
酸化パラジウムの水素還元処理を行うと、一般的な核形成技法として従来から使用されている金属薄膜の熱凝集や、爆発の危険を伴う超微粒子の生成と蒸着を用いずとも、比較的低温（２００℃以下）で初期凝集核の形成が可能となった。
【０１３７】
前述の炭化水素ガスとしては、例えば、エチレン，メタン，プロパン，プロピレンなどの炭化水素ガス、あるいはエタノールやアセトンなどの有機溶剤の蒸気を用いることができる。
【０１３８】
尚、繊維状カーボンの原料としては、前述の炭化水素ガスだけでなく、ＣＯ，ＣＯ2などの原料も用いることが出来る。
【０１３９】
繊維状カーボン４が成長する第１の層５の材料としては、前述した、Ｔｉとその一部分が酸化した酸化物の混合物、もしくはＴｉの酸化物半導体，または、Ｚｒとその一部分が酸化した酸化物の混合物、もしくはＺｒの酸化物半導体，または、Ｎｂとその一部分が酸化した酸化物の混合物、もしくはＮｂの酸化物半導体を用いる。上記Ｔｉの酸化物、Ｚｒの酸化物またはＮｂの酸化物は、第１の層５の表面のうち、繊維状カーボン４が配置されるに面に少なくとも配置される。
【０１４０】
これらＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂの化学量論的な酸化物は絶縁体であるが、弱い酸化、あるいは低級の酸化物は、内部に多くの欠陥を保有し、酸素欠損型等の半導体を形成する。
【０１４１】
第１の層５および第１の層５上に配置する触媒粒子の製造方法としては、例えば、Ｔｉ，ＺｒあるいはＮｂの層上にＰｄを３００℃程度の温度で数十分程度焼成して酸化パラジウムを形成すると同時に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂの層も酸化する方法がある。
【０１４２】
しかし、この程度の焼成温度と時間では、Ｔｉ，ＺｒあるいはＮｂの層の厚さにもよるが、層全体は酸化せず、表面だけが酸化し、かつ前述したように半導体的な性質もあることから、結果、形成した第１の層５には導電性を確保することができる。
【０１４３】
第２の層６は、触媒粒子をその上に配置しても、第１の層５に比べて繊維状カーボンの成長は実質的に行われない材料で構成する。そのような材料としては、前述したＴａ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔあるいは、触媒材料と同一種類の材料を用いる。
【０１４４】
そして、第１の層５の引出し電極２側の側面を除いた領域を第２の層６で覆う。
【０１４５】
その結果、第１の層５においては、引出し電極２側の側壁のみが露呈するので、後の繊維状カーボン成長工程で引出し電極２側の側壁のみに繊維状カーボン４が成長する。
【０１４６】
仮に、触媒微粒子を介して繊維状カーボンが成長しない第２の層６が無い場合には、触媒微粒子を介して繊維状カーボンが成長する導電層である第１の層５の全面に繊維状カーボンが成長する。この場合に、ゲートに近接しない繊維状カーボンは、僅かではあるが電子の放出に関与し、ビーム形状や均一性を乱す場合がある。
【０１４７】
これに対して、本実施の形態に係る電子放出素子においては、引出し電極２側の側壁以外の側壁には繊維状カーボンは存在しない構成とすることができるため、ビーム形状や均一性の乱れを防止できることが可能となる。
【０１４８】
次に、エミッター領域における電子放出点位置とその動作について図６及び図７を用いて説明する。
【０１４９】
数μｍのギャップ（間隙）の長さを持つ本素子を、図６に示すような真空装置６０に設置し、真空排気装置６５によって１０-4Ｐａ程度に到達するまで十分に排気した。そして、高電圧電源を用いて、基板から数ミリの高さＨの位置に陽極（以下、アノードと称する）６１を設け、数キロボルトからなる高電圧Ｖａを印加した。
【０１５０】
なお、アノード６１には導電性フィルムを被覆した蛍光体６２が設置されている。
【０１５１】
電極２と電極３間に印加する駆動電圧Ｖｆとして、数十Ｖ程度からなるパルス電圧を印加して、流れる素子電流Ｉｆと電子放出電流Ｉｅを計測した。尚、当然ではあるが、駆動電圧Ｖｆは、陰極電極３よりもゲート電極２に印加する電位の方が高い。
【０１５２】
この時、等電位線６３は図のように形成され、最も電界の集中する部分は、電子放出材料である繊維状カーボン４の最もアノード６１側であって、かつギャップ（間隙）の内側の点６４で示す部分である。
【０１５３】
この電界集中点６４の近傍に位置する電子放出材料の中で最も電界集中する場所から電子が放出されると考えられる。
【０１５４】
素子のＩｅ特性は図７に示すような特性であった。すなわち印加電圧の約半分からＩｅが急激に立ち上がり、不図示のＩｆはＩｅの特性に類似していたが、その値はＩｅと比較して十分に小さな値であった。
【０１５５】
以下、この原理に基づき、本発明の実施の形態に係る電子放出素子を複数配して得られる電子源及び画像形成装置について、図８〜図１０を用いて説明する。
【０１５６】
図８は本発明の実施の形態に係る電子源の模式的平面図であり、図９は本発明の実施の形態に係る画像形成装置の一部破断斜視図であり、図１０は本発明の実施の形態に係る画像形成装置のブロック図である。
【０１５７】
図８において、８１は電子源基体、８２はＸ方向配線、８３はＹ方向配線である。また、８４は本発明の実施の形態に係る電子放出素子、８５は結線である。
【０１５８】
ここで、電子放出素子８４を複数配置したことに伴う素子の容量が増大すると、図８に示すマトリクス配線においては、パルス幅変調に伴う短いパルスを加えても容量成分により波形がなまり、期待した階調が取れないなどの問題が生じる。
【０１５９】
これを解消するためには、電子放出部のすぐ脇に、例えば、図９に示すように層間絶縁層（リアプレート９１）を配して、電子放出部以外での容量成分の増加を低減する構造を採用すると良い。
【０１６０】
図８において、ｍ本のＸ方向配線８２はＤＸ1，ＤＸ2，・・・ＤＸmからなり、蒸着法にて形成された厚さ約１μｍ，幅３００μｍのアルミニウム系配線材料で構成されている。ただし、配線の材料、膜厚、巾は、適宜設計される。
【０１６１】
一方、Ｙ方向配線８３は厚さ０．５μｍ，幅１００μｍの、ＤＹ1，ＤＹ2・・・ＤＹnのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線８２と同様に形成される。
【０１６２】
これらｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離している（ｍ，ｎは、共に正の整数である）。
【０１６３】
不図示の層間絶縁層は、スパッタ法等を用いて厚さ約０．８μｍのＳｉＯ2で構成される。
【０１６４】
Ｘ方向配線８２を形成した基体８１の全面或は一部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ方向配線８２とＹ方向配線８３の交差部の電位差に耐え得るように、本実施の形態では１素子当たりの素使容量が１ｐＦ以下、素子耐圧３０Ｖになるように層間絶縁層の厚さを決めた。なお、Ｘ方向配線８２とＹ方向配線８３は、それぞれ外部端子として引き出されている。
【０１６５】
本発明の実施の形態に係る電子放出素子８４を構成する一対の電極（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３と導電性金属等からなる結線８５によって電気的に接続されている。
【０１６６】
Ｘ方向配線８２には、Ｘ方向に配列した本発明の実施の形態に係る電子放出素子８４の行を選択するための走査信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続される。
【０１６７】
一方、Ｙ方向配線８３には、Ｙ方向に配列した本発明の実施の形態に係る電子放出素子８４の各列を、入力信号に応じて変調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。
【０１６８】
各電子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として供給される。本発明の実施の形態においては、Ｙ方向配線は高電位、Ｘ方向配線は低電位になるように接続した。このように接続することで、本発明の実施の形態の特徴となるビームの収束効果が得られた。
【０１６９】
上記構成においては、単純なマトリクス配線を用いて個別の素子を選択し、独立に駆動可能とすることができる。
【０１７０】
このような単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した画像形成装置について、図９を用いて説明する。図９は、ガラス基板材料としてソーダライムガラスを用いた画像形成装置の表示パネルを示している。
【０１７１】
図９において、８１は電子放出素子を複数配した電子源基体、９１は電子源基体８１を固定したリアプレート、９６はガラス基体９３の内面に蛍光膜９４とメタルバック９５等が形成されたフェースプレートである。また、９２は支持枠であり、この支持枠９２には、リアプレート９１、フェースプレート９６がフリットガラス等を用いて接続されている。９７は外囲器であり、真空中で、４５０度の温度範囲で１０分焼成することで、封着して構成される。
【０１７２】
８４は電子放出部であり、８２，８３は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の一対の素子電極と接続された、それぞれＸ方向配線及びＹ方向配線である。
【０１７３】
外囲器９７は、上述の如く、フェースプレート９６と支持枠９２とリアプレート９１とで構成される。また、フェースプレート９６とリアプレート９１と間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器９７を構成できる。
【０１７４】
メタルバック９５は、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面の平滑化処理（通常、「フィルミング」と呼ばれる。）を行い、その後Ａｌを、真空蒸着等を用いて堆積させることで作ることができる。
【０１７５】
フェースプレート９６には、更に蛍光膜９４の導電性を高めるため、蛍光膜９４の外面側に透明電極（不図示）を設けた。
【０１７６】
前述の封着を行う際には、カラーの場合は各色蛍光体と電子放出素子とを対応させる必要があり、十分な位置合わせが不可欠となる。
【０１７７】
次に、図１０に示す走査回路１０２について説明する。同回路は、内部にＭ個のスイッチング素子を備えたもので（図中、Ｓ１ないしＳｍで模式的に示している）ある。各スイッチング素子は、直流電圧源Ｖｘの出力電圧もしくは０［Ｖ］（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、表示パネル１０１の端子Ｄｘ１ないしＤｘｍと電気的に接続される。
【０１７８】
Ｓ１乃至Ｓｍの各スイッチング素子は、制御回路１０３が出力する制御信号Ｔｓｃａｎに基づいて動作するものであり、例えばＦＥＴのようなスイッチング素子を組み合せることにより構成することができる。
【０１７９】
直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には本発明の実施の形態に係る電子放出素子の特性（電子放出しきい値電圧）に基づき、走査されていない素子に印加される駆動電圧が電子放出しきい値電圧以下となるような一定電圧を出力するよう設定されている。
【０１８０】
制御回路１０３は、外部より入力する画像信号に基づいて適切な表示が行われるように各部の動作を整合させる機能を有する。制御回路１０３は、同期信号分離回路１０６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに基づいて、各部に対してＴｓｃａｎおよびＴｓｆｔおよびＴｍｒｙの各制御信号を発生する。
【０１８１】
同期信号分離回路１０６は、外部から入力されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号から同期信号成分と輝度信号成分とを分離する為の回路で、一般的な周波数分離（フィルター）回路等を用いて構成できる。
【０１８２】
同期信号分離回路１０６により分離された同期信号は、垂直同期信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便宜上Ｔｓｙｎｃ信号として図示した。前記テレビ信号から分離された画像の輝度信号成分は便宜上ＤＡＴＡ信号と表した。このＤＡＴＡ信号はシフトレジスタ１０４に入力される。
【０１８３】
シフトレジスタ１０４は、時系列的にシリアルに入力されるＤＡＴＡ信号を、画像の１ライン毎にシリアル／パラレル変換するためのもので、制御回路１０３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づいて動作する。即ち、制御信号Ｔｓｆｔは、シフトレジスタ１０４のシフトクロックであるということもできる。
【０１８４】
シリアル／パラレル変換された画像１ライン分（電子放出素子Ｎ素子分の駆動データに相当）のデータは、Ｉｄ１乃至ＩｄｎのＮ個の並列信号としてシフトレジスタ１０４より出力される。
【０１８５】
ラインメモリ１０５は、画像１ライン分のデータを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であり、制御回路１０３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶された内容は、Ｉ’ｄ１乃至Ｉ’ｄｎとして出力され、変調信号発生器１０７に入力される。
【０１８６】
変調信号発生器１０７は、画像データＩ’ｄ１乃至Ｉ’ｄｎの各々に応じて本実施の形態に係る電子放出素子の各々を適切に駆動変調する為の信号源であり、その出力信号は、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パネル１０１内の本実施の形態に係る電子放出素子に印加される。
【０１８７】
前述したように、本発明の実施の形態に係る電子放出素子は放出電流Ｉｅに対して以下の基本特性を有している。
【０１８８】
即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖｔｈがあり、Ｖｔｈ以上の電圧を印加された時のみ電子放出が生じる。
【０１８９】
電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。このことから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、例えば電子放出閾値以下の電圧を印加しても電子放出は生じないが、電子放出閾値以上の電圧を印加する場合には電子ビームが出力される。
【０１９０】
その際、パルスの波高値Ｖｍを変化させる事により出力電子ビームの強度を制御することが可能である。また、パルスの幅Ｐｗを変化させることにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御する事が可能である。
【０１９１】
従って、入力信号に応じて、電子放出素子を変調する方式としては、電圧変調方式、パルス幅変調方式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器１０７として、一定長さの電圧パルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜パルスの波高値を変調するような電圧変調方式の回路を用いることができる。
【０１９２】
パルス幅変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器１０７として、一定の波高値の電圧パルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パルスの幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を用いることができる。
【０１９３】
シフトレジスタ１０４やラインメモリ１０５は、デジタル信号式を用いた。
【０１９４】
変調信号発生器１０７には、例えばＤ／Ａ変換回路を用い、必要に応じて増幅回路などを付加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器１０７には、例えば高速の発振器および発振器の出力する波数を計数する計数器（カウンタ）及び計数器の出力値と前記メモリの出力値を比較する比較器（コンパレータ）を組み合せた回路を用いた。
【０１９５】
ここで述べた画像形成装置の構成は、本発明を適用可能な画像形成装置の一例であり、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。入力信号については、ＮＴＳＣ方式を挙げたが入力信号はこれに限られるものではなく、ＰＡＬ，ＳＥＣＡＭ方式など他、これよりも、多数の走査線からなるＴＶ信号（例えば、ＭＵＳＥ方式をはじめとする高品位ＴＶ）方式をも採用できる。
【０１９６】
【実施例】
次に、上記実施の形態に基づくより具体的な実施例を詳細に説明する。
【０１９７】
（実施例１）
本実施例では、基本的な構成は、上述した実施の形態の中で説明した図１に示す構成を備えたものである。
【０１９８】
以下に、図５を用いて本実施例に係わる電子放出素子の製造工程を詳細に説明する。
【０１９９】
（工程１）
基板１に石英基板を用い、十分洗浄を行った後、引出し電極２及び陰極電極３を形成するために、はじめに、基板全体にスパッタ法により、不図示の厚さ５ｎｍのＴｉ及び厚さ５００ｎｍのＰｔの蒸着を連続的に行った。
【０２００】
次に、フォトリソグラフィー工程で、不図示のポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を用いてレジストパターンを形成した。
【０２０１】
次に、パターニングした前記フォトレジストをマスクとして、Ｐｔ層とＴｉ層に対して、Ａｒガスを用いてドライエッチングを行い、電極ギャップ間（間隙の幅）が５μｍからなる引出し電極２、および陰極電極３をパターニングした（図５（Ａ）に示す状態）。
【０２０２】
以下、フォトリソグラフィー工程、成膜、リフトオフ、エッチング等による薄膜やレジストのパターニングを単にパターンニングと称する。
【０２０３】
（工程２）
次に、基板全体に不図示のＣｒを電子ビーム蒸着にて約１００ｎｍの厚さに堆積し、その上にポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）をパターニングした。
【０２０４】
次に、パターニングした前記フォトレジストをマスクとし、触媒微粒子を介して繊維状カーボンが成長する導電層を被覆すべき領域（１００μｍ×８０μｍ）を陰極電極３上に形成し、開口部のＣｒを硝酸セリウム系のエッチング液で取り除いた。
【０２０５】
次に、スパッタ法にて触媒微粒子を介して繊維状カーボンが成長するＴｉを厚さ５０ｎｍの厚さとなるように蒸着を行った。
【０２０６】
次に、不要なＴｉとレジストを同時に剥離して（リフトオフ法）、Ｔｉ導電層（第１の層５）を形成した（図５（Ｂ）に示す状態）。
【０２０７】
（工程３）
工程２と同様なパターンニングにより、Ｔｉ導電層（第１の層５）を、Ｔｉ導電層（第１の層５）の引出し電極側の側壁のみが露出するように、触媒微粒子を介して繊維状カーボンが成長しないＴａ導電層（第２の層６）（１４０μｍ×１００μｍ）で覆った（図５（Ｃ）に示す状態）。
【０２０８】
（工程４）
続いて、不図示のＣｒ約１００ｎｍを、Ｐｔ／Ｔｉ層（陰極電極３に相当），Ｔｉ導電層（第１の層５）及びＴａ導電層（第２の層６）の引出し電極側の側壁のみが露出するようにパターンニングした。
【０２０９】
そして、Ｐｄ錯体にイソプロピルアルコール等を加えた錯体溶液を、スピンコートにて基板全体に塗布した。
【０２１０】
塗布後、大気中３００℃で熱処理を行い、酸化パラジウムを全面に約１０ｎｍの厚さに形成した後、Ｃｒを硝酸セリウム系のエッチング液にて取り除くことにより、不要な酸化パラジウムをリフトオフして、パターニングされた酸化パラジウムを形成した。
【０２１１】
大気を排気後、基板を２００℃に加熱し、窒素で希釈した２％水素気流中で熱処理を行った。この段階で素子表面には粒子の直径が約３〜１０ｎｍの触媒微粒子５２が壁面に形成された。この時の粒子の密度は約１０11〜１０12個／ｃｍ2と見積もられた（図５（Ｄ）に示す状態）。
【０２１２】
（工程５）
続いて、窒素希釈した０．１％エチレン気流中で、５００℃，１０分間加熱処理をした。これを走査電子顕微鏡で観察すると、壁面の触媒微粒子のうち触媒微粒子を介して繊維状カーボンが成長するＴｉ導電層（第１の層５）の壁面のみに、直径１０ｎｍ〜２５ｎｍ程度で、屈曲しながら繊維状に伸びた多数の繊維状カーボン４が形成されているのがわかった。
【０２１３】
このとき繊維状カーボン４の厚さは約５００ｎｍとなっていた。触媒微粒子を介して繊維状カーボンが成長しないＰｔ層（陰極電極３）及びＴａ導電層（第２の層６）の壁面には、繊維状カーボン４は認められなかった（図５（Ｅ）に示す状態）。
【０２１４】
以上のようにして作製した電子放出素子を図６に示すような真空装置６０に設置し、真空排気装置６５によって２×１０-5Ｐａに到達するまで十分に排気した。
【０２１５】
そして、図６に示したように、素子からＨ＝２ｍｍ離れた陽極（アノード）６１に、陽極（アノード）電圧としてＶａ＝１０ＫＶを印加した。このとき素子には駆動電圧（電極２，３間に印加する電圧）Ｖｆ＝２０Ｖからなるパルス電圧を印加して、流れる素子電流Ｉｆと電子放出電流Ｉｅを計測した。
【０２１６】
素子のＩｆ及びＩｅ特性は、図７に示すような特性であった。すなわち印加電圧の約半分からＩｅが急激に増加し、Ｖｆが１５Ｖでは約１μＡの電子放出電流Ｉｅが測定された。一方ＩｆはＩｅの特性に類似していたが、その値はＩｅと比較して一桁以上小さな値であった。
【０２１７】
得られたビームは、Ｙ方向に細長くＸ方向に短い、略矩形形状であった。
【０２１８】
陰極電極３とゲート電極２間に印加する電圧（Ｖｆ）を１５Ｖに固定し、アノード間距離をＨ２ｍｍに固定して、アノード電圧を５ＫＶ，１０ＫＶ、ギャップ（間隙の幅）を１μｍ，５μｍにした時のビーム幅を測定したところ表１のようになった。
【０２１９】
【表１】
0003639808.tif 000002
駆動に必要な電界は成長条件を変えることで変化させることが可能であった。特に酸化パラジウムを還元処理して出来るＰｄの平均粒径が、その後の成長で出来る繊維の直径と関連している。
【０２２０】
Ｐｄの平均直径は塗布するＰｄ錯体のＰｄ濃度とスピンコートの回転数で制御することが可能であった。
【０２２１】
この素子のカーボン繊維を透過電顕で観察したところ、グラフェンが図１２の右に示すように積層された構造であった。グラフェンの積層間隔（Ｃ軸方向）は温度が低い５００℃程度では不鮮明であり、その間隔が０．４ｎｍであったが、温度が高くなればなるほど、格子間隔が鮮明となり、７００℃では０．３４ｎｍとなりグラファイト０．３３５ｎｍに近い値となった。
【０２２２】
以上のように、本実施例に係わる電子放出素子の構成をとることにより、容量及び駆動電圧が低減され、効率が高く、ビーム径の小さい特性をもつ電子放出素子が実現できた。
【０２２３】
（実施例２）
図２を参照して実施例２に係わる電子放出素子について説明する。図２は本発明の実施例２に係る電子放出素子の模式図であり、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中ＡＡ断面図である。
【０２２４】
本実施例では実施例１における引出し電極２の厚さを２００ｎｍに形成した以外の構成等は実施例１と同様にして電子放出素子の作製を行い、Ｉｆ，Ｉｅの計測を行った。
【０２２５】
本素子構成により、引出し電極２の厚さよりも陰極電極３の厚さを厚くすることによって、電子放出位置を引出し電極２から見て、確実に高い位置（アノード側）にすることが出来た。
【０２２６】
この構成によって、ゲートに衝突する軌道を描く電子数が減少し、効率の低下や、ビーム径の増大を招く現象を防ぐことが出来た。
【０２２７】
この結果、本素子構成においても、Ｖｆが２０Ｖでは約１μＡの電子放出電流Ｉｅが測定された。一方ＩｆはＩｅの特性に類似していたが、その値はＩｅと比較して二桁小さな値であった。この時のビーム径もほぼ表１と同じであった。
【０２２８】
以上のように、本実施例に係わる電子放出素子の構成をとることにより、容量及び駆動電圧が低減され、効率が高く、ビーム径の小さい特性をもつ電子放出素子が実現できた。
【０２２９】
（実施例３）
図３を参照して実施例３に係わる電子放出素子について説明する。図３は本発明の実施例３に係る電子放出素子の模式図であり、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中ＡＡ断面図である。
【０２３０】
本実施例では実施例１における工程２において、導電層５を陰極電極３の表面上から基板表面上であって、ギャップ（間隙）にまたがって、ギャップのほぼ中間位置まで形成して、ギャップ間距離を約半分に形成した構成となっている。
【０２３１】
本素子では実施例１と比較してギャップ間距離が小さい分、電界が約２倍程度強い。このため駆動の電圧は８Ｖ程度まで低下させることが可能となった。また導電層５を繊維状カーボン４の電気的接続層として用いたことによりギャップ内の繊維状カーボン４から安定に電子放出させることが可能となった。
【０２３２】
以上のように、本実施例に係わる電子放出素子の構成をとることにより、容量及び駆動電圧が低減され、効率が高く、ビーム径の小さい特性をもつ電子放出素子が実現できた。
【０２３３】
（実施例４）
図４を参照して実施例４に係わる電子放出素子について説明する。図４は本発明の実施例４に係る電子放出素子の模式図であり、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中ＡＡ断面図である。
【０２３４】
本実施例では上記実施例１で述べた工程１と工程２が以下に示すように異なっており、他の工程は同一である。
【０２３５】
（工程１）
基板１に石英基板を用い、十分洗浄を行った後、陰極（エミッター）電極３として、スパッタ法により厚さ５ｎｍのＴｉ及び厚さ５００ｎｍのＰｔと、繊維状カーボンが成長可能な導電層５として厚さ１００ｎｍのＴｉの蒸着を連続的に行った。
【０２３６】
次に、フォトリソグラフィー工程で、ポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を用いてレジストパターンを形成した。
【０２３７】
次に、パターニングした前記フォトレジストをマスクとしてＴｉ導電層（第１の層５）を、ＣＦ4を用いてドライエッチングを行い、続いて、Ｐｔ，Ｔｉ層をＡｒにてドライエッチングを行って、陰極電極３を形成した。
【０２３８】
次に、陰極電極３をマスクとして用い、フッ酸とフッ化アンモニウムからなる混酸を用いて、約５００ｎｍの深さ、石英基板をエッチングした。
【０２３９】
続いて、引出し電極２として再びスパッタ法により厚さ５ｎｍのＴｉ及び厚さ３０ｎｍのＰｔの蒸着を連続的に行った。陰極電極３のフォトレジストを剥離後、再びポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を用いてゲート電極形状を形成するためのレジストパターンを形成した。
【０２４０】
次に、パターニングした前記フォトレジストをマスクとしてＰｔ層、Ｔｉ層をＡｒを用いてドライエッチングを行い、段局間に形成された段差がギャップとして作用するように引出し電極２を形成した。
【０２４１】
そして、レジストパターンを陰極上に形成して、直進性の良い抵抗加熱蒸着でＮｉ微粒子の形成を、約５ｎｍの厚さに形成し、その後酸化処理を３５０℃で３０分行った。この工程以降は、実施例１と同じ工程とした。
【０２４２】
本素子構成により、より微細なギャップを作ることが可能となり、約６Ｖ程度から電子放出させることが出来るようになった。
【０２４３】
また、電子放出材料の高さ（膜厚）が厚いことに起因して、膜の上部からだけでなく中間位置から電子が出ることで、ゲート電極に電子が衝突することによる効率の低下や、ビーム径の増大を防ぐことが出来た。
【０２４４】
（実施例５）
上記実施例に係わる電子放出素子を複数配して得られる画像形成装置について説明する。
【０２４５】
実施例１の電子放出素子を図８に示すようにマトリクス状に配置し、電子源基体８１を完成させた。
【０２４６】
この電子源基体８１を用いて、電子放出素子８４上部に、２ｍｍの距離を隔てて蛍光体９４を有する陽極（アノード）基板９６が配置されるようにし、図９に示す画像形成装置を作製した。
【０２４７】
Ｖｆ＝２０Ｖからなるパルス電圧、Ｖａ（アノードに印加する電圧）＝１０ｋＶで駆動したところ、画像形成装置においても実施例１と同様の特性が得られた。
【０２４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、繊維状カーボンを、導電層の引出し電極側側壁面上のみに成長するようにしたので、導電層の他の面からの電子放出を低減することができ、電子放出効率の向上を図り、かつ、放出する電子軌道の収束性の向上を図ることができた。
【０２４９】
また、このように電子放出効率及び電子軌道の収束性に優れた電子放出素子を電子源に適用することで、高品位な電子源を実現でき、また、画像形成装置にそのような電子源を適用することで、より高精細な画像形成を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態及び実施例１に係る電子放出素子の模式図である。
【図２】本発明の実施例２に係る電子放出素子の模式図である。
【図３】本発明の実施例３に係る電子放出素子の模式図である。
【図４】本発明の実施例４に係る電子放出素子の模式図である。
【図５】本発明の実施例１に係わる電子放出素子の製造工程図である。
【図６】電子放出素子の動作説明図である。
【図７】電子放出素子の基本的な動作特性図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る電子源の模式的平面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る画像形成装置の一部破断斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る画像形成装置のブロック図である。
【図１１】繊維状カーボン（カーボンナノチューブ）の概略構成図である。
【図１２】繊維状カーボン（グラファイトナノファイバー）の概略構成図である。
【図１３】従来技術に係る縦型ＦＥの概略構成図である。
【図１４】従来技術に係る横型ＦＥの概略構成図である。
【符号の説明】
１  基板
２  引出し電極
３  陰極電極
４  繊維状カーボン
５  第１の層
６  第２の層
５２  触媒微粒子
６０  真空装置
６１  アノード
６２  蛍光体
６３  等電位線
６５  真空排気装置
８１  基体
８２  Ｘ方向配線
８３  Ｙ方向配線
８４  電子放出素子
８５  結線
９１  リアプレート
９２  支持枠
９３  ガラス基体
９４  蛍光膜
９５  メタルバック
９６  フェースプレート
９７  外囲器
１０１  表示パネル
１０２  走査回路
１０３  制御回路
１０４  シフトレジスタ
１０５  ラインメモリ
１０６  同期信号分離回路
１０７  変調信号発生器
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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