(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体表面上に間隔をおいて対向して配置された、カソード電極およびゲート電極と、前記カソード電極上に配置された電子放出材を含む膜と、を有する電子放出素子であって、
前記電子放出材を含む膜は、前記基体表面に対して実質的に平行な面内であって、且つ、前記カソード電極と前記ゲート電極とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部を有しており、
駆動時において、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の各々と前記ゲート電極との間に印加される電界強度を、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の間の領域と前記ゲート電極との間に印加される電界強度よりも弱める構造を有する、
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
基体表面上に間隔をおいて対向して配置された、カソード電極およびゲート電極と、前記カソード電極上に配置された電子放出材を含む膜と、を有する電子放出素子であって、
前記電子放出材を含む膜は、前記基体表面に対して実質的に平行な面内であって、且つ、前記カソード電極と前記ゲート電極とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部を有しており、
前記基体表面に対して実質的に平行な平面における、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の各々と前記ゲート電極との間において前記カソード電極の一部が占める割合が、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の間に位置する領域と前記ゲート電極との間において前記カソード電極の一部が占める割合よりも大きい、
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
基体表面上に間隔をおいて対向して配置された、カソード電極およびゲート電極と、前記カソード電極上に配置された電子放出材を含む膜と、を有する電子放出素子であって、
前記電子放出材を含む膜は、前記基体表面に対して実質的に平行な面内であって、且つ、前記カソード電極と前記ゲート電極とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部を有しており、
前記基体表面に対して実質的に平行な平面における、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の各々と前記ゲート電極との間において、前記カソード電極は、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の間に位置する領域と前記ゲート電極との間よりも、前記ゲート電極側に突出している部分を有する、
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項４】
基体表面上に間隔をおいて対向して配置された、カソード電極およびゲート電極と、前記カソード電極上に配置された電子放出材を含む膜と、を有する電子放出素子であって、
前記電子放出材を含む膜は、前記基体表面に対して実質的に平行な面内であって、且つ、前記カソード電極と前記ゲート電極とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部を有しており、
前記ゲート電極は、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の間に位置する領域との距離が、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部との距離よりも短い形状を有する、
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項５】
基体表面上に間隔をおいて対向して配置された、カソード電極およびゲート電極と、前記カソード電極上に配置された電子放出材を含む膜と、を有する電子放出素子であって、
前記電子放出材を含む膜は、前記基体表面に対して実質的に平行な面内であって、且つ、前記カソード電極と前記ゲート電極とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部を有しており、
前記カソード電極と前記ゲート電極の間隔におけるセンターラインから前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の間に位置する領域までの距離が、前記センターラインから前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部までの距離よりも短い、
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項６】
前記電子放出材を含む膜は、複数のファイバー状の導電性部材を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項７】
前記電子放出材を含む膜は、カーボンを主成分とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項８】
前記電子放出材を含む膜は、複数のカーボンファイバーを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項９】
前記カーボンファイバーは、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、ダイアモンドファイバーのいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の電子放出素子。
【請求項１０】
複数の電子放出素子を有する電子源であって、前記電子放出素子が請求項１乃至９のいずれかに記載の電子放出素子からなることを特徴とする電子源。
【請求項１１】
電子源と発光部材とを有する画像表示装置であって、前記電子源が請求項１０に記載の電子源からなることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出材を含む膜を有する電子放出素子、該電子放出素子を多数配置してなる電子源、及び該電子源を用いた画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、冷陰極材料として、カーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」）などのカーボンファイバーが注目されている。カーボンナノチューブとは数層か一層のグラファイトを巻いて円筒状の構造を有するフラーレンのことであり、１９９１年に発見された新しい炭素材料である（Ｎａｔｕｒｅ，３５４，（１９９１）５６）。更に、カーボンナノチューブを用いて、微小な電子放出素子を形成し、これを平面状に多数形成した電子源を用いた画像表示装置への応用が試みられている。
【０００３】
従来、電界放射型電子放出素子の例としては、カソード電極が基板から略鉛直方向に円錐形状をなしたもの、所謂「スピント型」が知られていた。スピント型の電子放出素子は、基板上に絶縁層およびゲート電極が成膜され、微細加工によって得られた孔の内部にＭｏ等で円錐状のカソード電極が形成されている。また、アノード電極および蛍光体は、ゲート電極と対向して配置される。
【０００４】
上述したスピント型電子放出素子は、先鋭化した金属電極の先端部分からの電子電界放出を利用している。しかし、微細加工による素子では画像表示装置の一画素あたりの素子数を多く取ることが難しい。
【０００５】
また、電界電子放出電圧を下げるには、先鋭化した先端のアスペクト比を大きくすることが重要であるが、微細加工技術による尖端の先鋭化には限界があり、電界放出させるのに必要な電界の強度を下げることは困難であった。
【０００６】
一方、ＣＮＴなどのカーボンファイバーは、その形状が、直径数十ｎｍと微細で、且つ長さが数百ｎｍ〜数μｍと、アスペクト比が高い形状のものである。そのため、カーボンファイバーを電子源として用いれば、低電圧で駆動が可能である。しかも、許容電流容量が大きくとれることから、大電流を安定して放出することができるなど、画像表示装置への応用に有利な特性を多く備えている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
一方、横型に構成した電子放出素子の例としては、先端を先鋭化したカソード電極と、カソード電極先端から電子を引き出すゲート電極とが基板と平行に形成し、ゲート電極とカソード電極が対向する方向と垂直な方向にアノード電極を配置したものが知られている（例えば、特許文献２、３参照。）。
【０００８】
このような横型の電子放出素子においても、例えば特許文献４や、特許文献５などに開示されているように、電子放出部に、カーボンナノチューブ等のカーボンファイバーを用いて、素子特性の向上を図る試みが行われている。
【０００９】
以上のような電子放出素子を複数個形成した電子源基板を用いれば、蛍光体などからなる画像形成部材と組み合わせることで画像形成装置を構成することができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−２５４７７号公報
【特許文献２】
米国特許第４７２８８５１号明細書
【特許文献３】
米国特許第４９０４８９５号明細書
【特許文献４】
特開２００１−５２５９８号公報
【特許文献５】
特開２００２−１５０９２５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、カーボンナノチューブ等のカーボンファイバーを電子放出部として用いた横型電子放出素子からなる電子源は、以下の課題を有している。
【００１２】
図９に横型電子放出素子の一形態を例示する。図９は横型電子放出素子を基体表面の上方から見た図であり、９１は基板、９２はカソード電極、９３はゲート電極、９４は電子放出膜である。
【００１３】
通常、横型電子放出素子では、カソード電極９２上の、ゲート電極９３に対向するエッジに沿ってパターニングされたカーボンファイバーからなる電子放出膜９４を形成する。
【００１４】
電子放出膜９４からの電子放出は、カーボンファイバー先端の電子放出部位に実効的に印加される電界強度によって決まり、具体的には、１）対向ゲート電極からの距離により決まるマクロ的な電界、及び、２）カーボンファイバーの形状等によって規定される電界増強効果、によって決まる。
【００１５】
電子放出膜９４とゲート電極９３の距離が等しい場合、即ちマクロ的な電界が等しい場合は、電子放出膜９４の不均一性に起因した電界増強効果の不均一性によって、電子放出のし易さが決まる。即ち、カーボンファイバーの形状、及び密度等に不均一が存在すると、電子放出特性に不均一性が生じる。
【００１６】
電子放出膜９４をカソード電極９２のエッジに沿って形成する手段として、１）触媒をパターニングし、触媒が残されたエリアにカーボンファイバーを成長させる、２）カーボンファイバーを用意した後、任意のエリアにカーボンファイバーからなる膜を配置する、等の手段を取ることができる。
【００１７】
図１０に、図９に示した電子放出素子の、カソード電極９２の端部に沿った断面模式図を示す。
【００１８】
１）の場合、電子放出膜９４のパターンの縁辺部とそれ以外の部位の成長速度に差が生じやすく、カーボンファイバーの形状、或いは、密度等の場所による不均一が生じやすい。その結果、縁辺部とそれ以外の領域では、電子放出特性に違いが生じやすい。縁辺部とそれ以外の部位のカーボンファイバー成長を厳密に一致させることは困難であり、電子放出素子毎の不均一性の要因となっている。例えば、図９に示すように、パターニングされた電子放出膜９４の端部９５におけるカーボンファイバーは、それ以外の領域におけるカーボンファイバーと形態が異なりやすい。
【００１９】
２）の場合、カーボンファイバーの形態、及び形成密度を比較的均一にすることができるが、図１０に示すように、パターニングされたエリアの縁辺部において、エッジ部９５が形成される。エッジ部９５では、通常、電界集中による電界増強効果が大きくなり電子放出の電圧の閾値が低下する。
【００２０】
いずれの製法を用いても、有限の領域の電子放出部を形成する以上、電子放出部内での電子放出特性の不均一性が生じるという問題がある。特に、縁辺部と中央部との電子放出特性の違いが生じやすく、このような膜の全面を電子放出部として用いた場合、縁辺部に低閾値を持つ電子放出部の存在は、異常発光点として発現してしまうという問題があった。
【００２１】
また、このような電子放出素子を用いた画像形成装置では、輝度むらを生じやすいという問題があった。
【００２２】
そこで、本発明は、上記課題を解決するものであって、異常発光点の発現を抑制し、輝度むらのない表示品位に優れた画像形成装置を製造し得る電子放出素子、及び電子源を提供するものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述する課題を解決するために鋭意検討を行ってなされたものであり、下述する電子放出素子によって与えられる。
【００２４】
即ち、本発明の電子放出素子は、
基体表面上に間隔をおいて対向して配置された、カソード電極およびゲート電極と、前記カソード電極上に配置された電子放出材を含む膜と、を有し、
前記電子放出材を含む膜は、前記基体表面に対して実質的に平行な面内であって、且つ、前記カソード電極と前記ゲート電極とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部を有しており、
駆動時において、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の各々と前記ゲート電極との間に印加される電界強度を、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の間の領域と前記ゲート電極との間に印加される電界強度よりも弱める構造を有することを特徴とする。
【００２５】
或いは、本発明の電子放出素子は、
基体表面上に間隔をおいて対向して配置された、カソード電極およびゲート電極と、前記カソード電極上に配置された電子放出材を含む膜と、を有し、
前記電子放出材を含む膜は、前記基体表面に対して実質的に平行な面内であって、且つ、前記カソード電極と前記ゲート電極とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部を有しており、
前記基体表面に対して実質的に平行な平面における、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の各々と前記ゲート電極との間において前記カソード電極の一部が占める割合が、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の間に位置する領域と前記ゲート電極との間において前記カソード電極の一部が占める割合よりも大きいことを特徴とする。
【００２６】
或いは、本発明の電子放出素子は、
基体表面上に間隔をおいて対向して配置された、カソード電極およびゲート電極と、前記カソード電極上に配置された電子放出材を含む膜と、を有し、
前記電子放出材を含む膜は、前記基体表面に対して実質的に平行な面内であって、且つ、前記カソード電極と前記ゲート電極とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部を有しており、
前記基体表面に対して実質的に平行な平面における、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の各々と前記ゲート電極との間において、前記カソード電極は、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の間に位置する領域と前記ゲート電極との間よりも、前記ゲート電極側に突出している部分を有することを特徴とする。
【００２７】
或いは、本発明の電子放出素子は、
基体表面上に間隔をおいて対向して配置された、カソード電極およびゲート電極と、前記カソード電極上に配置された電子放出材を含む膜と、を有し、
前記電子放出材を含む膜は、前記基体表面に対して実質的に平行な面内であって、且つ、前記カソード電極と前記ゲート電極とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部を有しており、
前記ゲート電極は、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の間に位置する領域との距離が、前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部との距離よりも短い形状を有することを特徴とする。
【００２８】
或いは、本発明の電子放出素子は、
基体表面上に間隔をおいて対向して配置された、カソード電極およびゲート電極と、前記カソード電極上に配置された電子放出材を含む膜と、を有し、
前記電子放出材を含む膜は、前記基体表面に対して実質的に平行な面内であって、且つ、前記カソード電極と前記ゲート電極とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部を有しており、
前記カソード電極と前記ゲート電極の間隔におけるセンターラインから前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部の間に位置する領域までの距離が、前記センターラインから前記電子放出材を含む膜の前記２つの端部までの距離よりも短いことを特徴とする。
【００２９】
上記の電子放出材を含む膜としては、複数のファイバー状の導電性部材を含む膜を用いることができる。
【００３０】
また、上記の電子放出材を含む膜としては、カーボンを主成分とする膜を用いることができる。
【００３１】
また、上記の電子放出材を含む膜としては、複数のカーボンファイバーを含む膜を用いることができる。
【００３２】
更に、前記カーボンファイバーは、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、ダイアモンドファイバーのいずれかとすることができる。
【００３３】
また、本発明は、複数の電子放出素子を有する電子源であって、前記電子放出素子が上述の本発明の電子放出素子からなることを特徴とする。
【００３４】
また、本発明は、電子源と発光部材とを有する画像表示装置であって、前記電子源が上述の本発明の電子源からなることを特徴とする。
【００３５】
本発明の電子放出素子によれば、電子放出部における電子放出特性分布が小さい電子放出素子を提供することが可能となり、そして、電子放出素子間の電子放出特性のばらつきを低減することが可能となる。このため、本発明の電子放出素子を複数配置した電子源を用いれば、大面積の均一で良好な画質の画像を表示できる画像形成装置が得られる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態例を、図面を参照して説明するが、本発明はこれらの形態例に限定されるものではない。
【００３７】
先ず、本発明における電子放出素子を、図１、及び図２を用いて説明する。
図１は、電子放出素子の基板に対向してアノード電極を設け、更に真空容器に設置した状態を表す模式図である。図２は、本発明の電子放出素子の一例を基板に対して上方から見た模式図である。
【００３８】
図において、１は基板（基体）、２はカソード電極（陰極電極）、３はゲート電極（引き出し電極）、４は導電層、５は電子放出材を含む膜（以下「電子放出膜」という。）、６はアノード基板、７はアノード電極、８は真空容器である。また、真空容器８は真空排気装置（不図示）に接続されている。また、上記カソード電極２と導電層４とを含めて、カソード電極と呼ぶ場合もある。また、電子放出膜５が直接カソード電極２に安定に機械的および電気的に結合していれば、導電層４は必ずしも必要ではない。
【００３９】
電子放出膜５は、基板１表面に対して実質的に平行な面内であって、且つ、カソード電極２とゲート電極３とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部Ａ、Ｂを有している。
【００４０】
カソード電極２、ゲート電極３の形状、及び、電子放出膜５を適切に配置することによって、駆動時において、電子放出膜５の前記２つの端部Ａ、Ｂの各々とゲート電極３との間に印加される電界強度を、電子放出膜５の前記２つの端部Ａ、Ｂの間の領域とゲート電極３との間に印加される電界強度よりも弱める構造を形成している。
【００４１】
このような構造によって、電子放出膜５の二つの端部Ａ、Ｂからの電子放出を抑制し、二つの端部Ａ、Ｂの間の領域から、制御して電子放出を起こすことができるようになる。
【００４２】
本発明の電子放出素子の構造は、電子放出膜５の前記２つの端部Ａ、Ｂの各々とゲート電極３との間に印加される電界強度を、電子放出膜５の前記２つの端部Ａ、Ｂの間の領域とゲート電極３との間に印加される電界強度よりも弱める構造（以下、「本発明による電界制御構造」という。）であればどのような形態であっても良い。
【００４３】
本発明による電界制御構造の具体的な形態例を図２〜図７に示す。図２〜図７に示す電子放出素子の形態は、本発明の一例を示したにすぎない。なお、これらの図においては、同一部材には同一の符号を付している。
【００４４】
上述した本発明による電界制御構造は、
１）図２，３，４，５に例示する構造のように、基体１表面に対して実質的に平行な平面における、電子放出膜５の２つの端部Ａ，Ｂの各々とゲート電極３との間においてカソード電極２の一部が占める割合が、電子放出膜５の２つの端部Ａ，Ｂの間に位置する領域とゲート電極３との間においてカソード電極２の一部が占める割合よりも大きい構造。
２）図２，４，５に例示する構造のように、基体１表面に対して実質的に平行な平面における、電子放出膜５の２つの端部Ａ，Ｂの各々とゲート電極３との間において、カソード電極２は、電子放出膜５の２つの端部Ａ，Ｂの間に位置する領域とゲート電極３との間よりも、ゲート電極３側に突出している部分を有する構造。
３）図３，６，７に例示する構造のように、ゲート電極３は、電子放出膜５の２つの端部Ａ，Ｂの間に位置する領域との距離が、電子放出膜５の２つの端部Ａ，Ｂとの距離よりも短い形状を有する構造。
４）図２乃至図７に例示する構造のように、カソード電極２とゲート電極３の間隔におけるセンターライン９（図２参照）から電子放出膜５の２つの端部Ａ，Ｂの間に位置する領域までの距離が、前記センターライン９から電子放出膜５の２つの端部Ａ，Ｂまでの距離よりも短い構造。
などによって実現することができる。
【００４５】
次に、本発明の電子放出素子の製造工程の一例を説明する。ここでは、電子放出材料としてカーボンファイバーを用い、且つ、カソード電極上に配置した触媒を用いてカーボンファイバーを成長させる例を説明する。また、ここでは、以下に記す材料や大きさはあくまで一例であり、本発明は以下の値、材料に限定されるものではない。また、本発明に適用可能な電子放出材料は、前述したように、カーボンファイバーに限られるものではない。また、ここでは、カソード電極上でカーボンファイバーを成長させる例を説明するが、予めカーボンファイバーを形成しておき、このファイバーをカソード電極上に配置する場合であっても良い。
【００４６】
基板１には、石英等の高融点ガラスを用い、一般的な半導体プロセス技術を用いて、カソード電極２及びゲート電極３を形成し、更に、カソード電極２上の所望の領域に触媒層を形成する。尚、触媒層は連続膜ではなくて、「島状膜」あるいは「複数の粒子からなる膜」とすることが好ましい。また触媒としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄなどの金属を含む触媒性材料や、前記触媒性材料を含む合金などを用いることができる。特には、ＰｄあるいはＣｏを用いると好ましく、ＰｄとＣｏの合金であるとより好ましい。
【００４７】
また、カソード電極２と触媒層との間に、図１に示したような、導電層４を設けることがある。この導電層としては、例えば金属窒化物、或いは金属酸化物などを用いることができ、後の電子放出材の形成を容易にする働きを持たせることができる場合がある。
【００４８】
続いて、上記基板を４００℃〜８００℃程度に加熱しながら、有機ガスを導入することによって触媒を形成した領域に、複数のカーボンファイバーが形成される。このカーボンファイバーが電子放出材となる。このカーボンファイバーは、成長時の温度、有機ガス種、有機ガス濃度等によって異なるが、直径５ｎｍ〜２５０ｎｍ程度、長さ数十ｎｍ〜数μｍ程度で、屈曲しながら（条件によっては直線的に）ファイバー状に伸びた形態を取ることが多い。複数のカーボンファイバーからなる膜（電子放出膜５）の厚みは、ゲート電極３とカソード電極２との平均距離以下であることが好ましい。尚、上記加熱温度をさらに上げると所謂カーボンナノチューブを形成することもできる。
【００４９】
導電性のファイバー状の材料はアスペクト比（縦横比）を大きく取り易く、電界増強させ易い。そのために、低電圧で電子を放出させることが可能であり、本発明の電子放出部材として好ましく用いられる。
【００５０】
なお、本発明における「カーボンファイバー」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、「カーボンファイバー」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、本発明における「カーボンファイバー」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，ダイアモンドファイバーを含む。
【００５１】
カーボンファイバーの形態は、例えば、特開２０００−７５１６７号公報で説明されている。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。より具体的には、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。
【００５２】
また、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がグラファイトナノファイバーと呼ばれている。換言すると、グラフェン（ｃ軸）がファイバーの軸に対して非平行に配置されたグラフェンの積層体からなるファイバー状の物質である。
【００５３】
尚、グラファイトの１枚面を「グラフェン」あるいは「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、約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。
【００５４】
どちらのカーボンファイバーも電子放出の閾値が１Ｖ〜１０Ｖ／μｍ程度であり、本発明のエミッタ（電子放出膜５）の材料として好ましい。
【００５５】
特に、グラファイトナノファイバーの集合体を用いた電子放出材は、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、安定な電子放出特性が得られ、しかも簡易に製造ができるので好ましく用いられる。
【００５６】
上記したカーボンファイバーは、前述の触媒（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、及び分解の温度において異なる。例えば、Ｐｄ、Ｎｉ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。Ｆｅ、Ｃｏを用いたカーボンナノチューブの生成温度は８００℃以上必要なことから、Ｐｄ、Ｎｉ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。
【００５７】
前述の炭化水素ガスとしては例えばアセチレン、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、ＣＯ，ＣＯ2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。
【００５８】
ここでは、電子放出膜５の表面の一部であり、電子放出する部位を含み基体１表面と実質的に平行な平面と、ゲート電極３の表面の一部を含み基体１表面と実質的に平行な平面との、基体表面を基準とした相対位置関係に関しては特に規定しなかった。これらは、概ね同一平面内にあってもよく、或いは、離れた位置に配置された場合でも、本発明による電界制御構造に適用することができる。ただし、離れた位置に配置される場合は、放出電子のゲート電極３上での散乱を抑制するために、図１に示したように電子放出膜５の表面の一部を含み基板１表面と実質的に平行な平面が、ゲート電極３の表面の一部を含み基板１表面と実質的に平行な平面と、アノード電極７との間に配置されることが望ましい。
【００５９】
図１に示した上記構成において、カソード電極２側から放出された電子がゲート電極３に衝突する割合を低減できる。その結果、放出された電子ビームの広がりが少なく、高効率な、電子放出素子が得られる。
【００６０】
上記した本発明の電子放出素子の駆動について図１を用いて説明する。
図１ではまず、素子を真空容器８内に配置し、排気装置（不図示）を用いて真空を形成する。次に、ゲート電極３が電子放出膜５（あるいはカソード電極２）に対して高電位になるように、電圧を印加する。
【００６１】
ここで、本発明の電子放出素子では、電子放出膜５の２つの端部Ａ、Ｂ近傍（図２参照）で、二つの端部Ａ、Ｂの間の領域よりも電界が弱まる構造を有しているために、電界放出を、二つの端部Ａ、Ｂの間の任意の領域で優先的に起こすことができる。
【００６２】
これにより、従来問題であった膜の電界放出特性の不均一（特に、二つの端部を有する膜の、二つの端部の電子放出特性と、二つの端部の間の領域における電子放出特性の違いを反映した、同一素子内での放出電子分布のむら）を低減することが可能となる。
【００６３】
また、本発明によれば、電極形状によって、電子放出膜のうち、膜形態の均一性の高い領域を選択的に電子放出部とすることができる。そのため、電子放出膜５の高いアライメント精度を必要とすることなく、電子放出特性の揃った電子放出素子を提供することが可能である。
【００６４】
更に、上記本発明の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構成することができる。
【００６５】
本発明の電子放出素子を電子源として用いた画像形成装置においては、各画素内での輝度むらを低減することが可能となり、ひいてはパネル全体での輝度むらの低減が可能となる。
【００６６】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。
【００６７】
［実施例１］
図２は、本実施例の電子放出素子を、基体表面の上方から見た図である。
図２において、１は基板、２はカソード電極、３はゲート電極、５は電子放出膜である。なお、カソード電極２と電子放出膜５の間には、導電層４（不図示）が挿入されており、両者を併せてカソード電極２と呼んでいる。
【００６８】
ここでは、基板１には石英、カソード電極２、及びゲート電極３にはＰｔ、電子放出膜５としてはグラファイトナノファイバー、導電層４にはＴｉＮを用いた。
【００６９】
また、ここでは、図示した範囲で、導電層４と電子放出膜５は概ね同一の領域に形成される構成としたが、導電層４が電子放出膜５の領域を内包するように形成されていても良い。
【００７０】
電子放出膜５は、一定の幅を持った帯状にパターニングされており、帯の長手方向に二つの端部Ａ、Ｂが存在する。
【００７１】
ゲート電極３とカソード電極２の間隔は一定ではなく、電子放出膜５の二つの端部の間の領域における間隔は、電子放出膜５の二つの端部の近傍における間隔よりも広くなる形態とした。従って、カソード電極２端から電子放出膜５までの距離は、二つの端部において遠く、二つの端部の間の領域ではカソード電極２端と電子放出膜５の端は、近接した形態となっている。
【００７２】
次に、本実施例における電子放出素子の製造工程を、図８を用いて説明する。
【００７３】
基板１に石英基板を用い、十分洗浄を行った後、カソード電極２、及びゲート電極３の材料としてスパッタ法によりＴｉを厚さ５ｎｍ蒸着し、引き続きＰｔを厚さ３０ｎｍ蒸着した。
【００７４】
次に、一般的なフォトリソグラフィー工程で、ポジ型フォトレジストを用いてレジストパターンを形成し、このフォトレジストをマスクとして、Ａｒガスを用いたＰｔ層、Ｔｉ層のドライエッチングを行い、カソード電極２、及びゲート電極３を形成した（図８（ａ））。
【００７５】
次に、基板温度を３００℃に保ち、Ａｒ中に窒素を混合させたエッチングガスでＴｉをスッパタする反応性スパッタ法にて、ＴｉＮを厚さ５００ｎｍの厚さに蒸着し、導電層４としてＴｉＮ層を形成した。更に、基板を室温まで冷却した後、スパッタ法にて島状になる程度の量だけＰｄを蒸着し、島状Ｐｄ層８１を形成した（図８（ｂ））。
【００７６】
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を用いてレジストパターンを形成し（図８（ｃ））、パターニングした前記フォトレジスト８２をマスクとして、ＣＦ4ガスを用いて島状Ｐｄ層８１、ＴｉＮ層４をドライエッチングすることによって、カソード電極２上に所望のパターンに金属触媒８１（島状Ｐｄ層）を形成した（図８（ｄ））。
【００７７】
次に、大気圧の窒素希釈した１％水素と、大気圧の窒素希釈した０．１％アセチレンをおよそ１：１で混合した気流中で５００℃、１０分間加熱処理をすると、金属触媒８１を形成した領域に、電子放出膜５が形成された（図８（ｅ））。
【００７８】
電子放出膜５は、直径５ｎｍ〜２５０ｎｍ程度で、屈曲しながら繊維状に伸びた多数のカーボンファイバー（電子放出材）からなり、膜厚は数μｍ程度であった。該カーボンファイバーを電子顕微鏡観察、及び、ラマン分光分析を行い、グラファイトナノファイバーが形成されていることを確認した。
【００７９】
なお、本実施例においては、電子放出膜５として、グラファイトナノファイバーを用いたが、これ以外にも、カーボンファイバーを含む膜であれば、同様の作用が得られる。例えば、カーボンファイバーとしては、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボンファイバー、ダイアモンドファイバー等を用いることができる。
【００８０】
カソード電極２とゲート電極３の間に電圧を印加すると、カソード電極２内は、等電位であるので、電子放出膜５の２つの端部ＡおよびＢに印加される電界強度は、上記２つの端部ＡおよびＢの間の領域に印加される電界強度よりも弱くなる。電界の弱まりは、カソード電極２端から電子放出膜５の端の距離が離れるほど大きい。そのため、図２の構成においては、電子放出膜５のうち、カソード電極２−ゲート電極３間隔が広くなっている領域の近傍では、相対的に強い電界がかかることになる。従って、図２の構成においては、ゲート電極３の電位に依存した、電子放出膜５の電子放出に必要な閾値（電圧）は、カソード電極２−ゲート電極３間隔が広くなっている領域の近傍で低くなる。
【００８１】
本構成の電子放出素子に対して、カソード電極２とゲート電極３の間に電圧を印加すると、カソード電極２−ゲート電極３間隔が広くなっている領域の近傍の電子放出膜５から選択的に電子放出を起こし、二つの端部近傍から電子放出を抑制することができた。
【００８２】
また、本実施例の変形例として、図１１に示すように、ゲート電極３側から見て、カソード電極２のエッジが、複数の凹凸形状で形成されていてもよい。このような形状にすることで、電子放出領域を複数に分けることもできる。また、カソード電極のエッジの凹部は、図１２に示すように、楕円形状の凹状となっていても良い。
【００８３】
［実施例２］
図３は、本実施例の電子放出素子を、基体表面の上方から見た図である。本実施例の電子放出素子は、実施例１で示した電子放出素子と同様の方法で作製することができる。また、実施例１と同様の部材は、同様の符号で示してある。
【００８４】
本実施例における電子放出素子では、ゲート電極３とカソード電極２の間隔は一定であり、電子放出膜５は、楕円状にパターニングされており、ゲート電極３とカソード電極２の間のギャップに沿った方向に、実質的に二つの端部Ａ、Ｂが存在する。
【００８５】
図からわかるように、カソード電極２端から電子放出膜５までの距離は、端部Ａ、Ｂにおいて遠く、端部Ａ、Ｂの間の領域ではカソード電極２端と電子放出膜５の端は、近接している。
【００８６】
即ち、電子放出膜５の２つの端部の各々とゲート電極３との間において、カソード電極２の一部が占める割合が、電子放出膜５の２つの端部の間に位置する領域とゲート電極３との間において、カソード電極２の一部が占める割合よりも大きくなっている。
【００８７】
本実施例の電子放出素子についても、カソード電極２とゲート電極３の間に電圧を印加した場合、カソード電極２とゲート電極３が対向する方向の電界強度は、電子放出膜５の二つの端部の間の領域よりも、電子放出膜５の二つの端部近傍の方が弱くなる。従って、ゲート電極３の電位による、電子放出に必要な閾値は、電子放出膜５の二つの端部近傍よりも、電子放出膜５の二つの端部の間の領域で低くなる。
【００８８】
本実施例の電子放出素子では、電子放出膜５とゲート電極３との間においてカソード電極２の一部が占める割合がより小さい、電子放出膜５の二つの端部の間の領域から選択的に電子放出を起こし、二つの端部近傍の電子放出を抑制することができた。
【００８９】
［実施例３］
図４は、本発明の電子放出素子を、基体表面の上方から見た図である。本実施例の電子放出素子は、実施例１で示した電子放出素子と同様の方法で作製することができる。また、実施例１と同様の部材は、同様の符号で示してある。
【００９０】
電子放出膜５は、一定の幅を持った帯状にパターニングした。従って、電子放出膜５の長手方向に二つの端部Ａ、Ｂが存在する。
【００９１】
電子放出膜５の２つの端部Ａ、Ｂの各々とゲート電極３との間において、カソード電極２は、電子放出膜５の２つの端部の間に位置する領域とゲート電極３との間よりも、ゲート電極３側に突出する形態とした。
【００９２】
従って、ゲート電極３とカソード電極２の間隔は一定ではなく、電子放出膜５の二つの端部Ａ、Ｂの間の領域で間隔が広くなっている。即ち、カソード電極２端から電子放出膜５までの距離は、端部近傍よりも、二つの端部の間の領域でより接近した形態となっている。
【００９３】
本実施例の電子放出素子についても、カソード電極２とゲート電極３の間に電圧を印加した場合、カソード電極２とゲート電極３が対向する方向の電界強度は、電子放出膜５の二つの端部Ａ、Ｂの間の領域よりも、電子放出膜５の二つの端部近傍の方が弱くなる。従って、ゲート電極３の電位による、電子放出に必要な閾値は、電子放出膜５の二つの端部近傍よりも、電子放出膜５の二つの端部の間の領域で低くなる。
【００９４】
本実施例の電子放出素子では、カソード電極２がゲート電極３側に突出している電子放出膜５の二つの端部近傍の電子放出を抑制することができ、二つの端部の間の領域から選択的に電子を放出させることができた。
【００９５】
また、本実施例の変形例として、図５に示すような形態であっても良い。
【００９６】
［実施例４］
図６は、本発明の電子放出素子を、基体表面の上方から見た図である。本実施例の電子放出素子は、実施例１で示した電子放出素子と同様の方法で作製することができる。また、実施例１と同様の部材は、同様の符号で示してある。
【００９７】
電子放出膜５は、カソード電極２上に、基体表面に対して実質的に平行な面内に矩形にパターニングした。また、電子放出膜５は、カソード電極２とゲート電極３とが対向する方向と実質的に垂直な方向において、２つの端部Ａ、Ｂを有する。
【００９８】
ゲート電極３は、電子放出膜５の前記２つの端部の間に位置する領域との距離が、電子放出膜５の前記２つの端部との距離よりも短くなるように形成した。
【００９９】
ゲート電極３と電子放出膜５との距離が短くなった領域において、それ以外の領域よりも、電界強度が高くなる。
【０１００】
本構成の電子放出素子に対して、カソード電極２とゲート電極３の間に電圧を印加すると、ゲート電極３と電子放出膜５との距離が短くなった領域において、カソード電極２とゲート電極３が対向する方向の電界に関し、より大きな電界が電子放出膜５に印加されることになるので、該領域の近傍において選択的に電子放出を起こすことができた。
【０１０１】
また、本実施例の変形例として、図７に示すような形態であっても良い。
【０１０２】
以上、本発明の電子放出素子の実施例を説明したが、本発明はこのような電子放出素子を複数個形成した電子源、さらにはかかる電子源を用い、蛍光体などからなる発光部材と組み合わせることで構成される画像形成装置を包含する。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明によれば、電子放出分布が小さい電子放出部を有する電子放出素子を提供することが可能となり、電子放出素子間の電子放出特性のばらつきを低減することが可能となる。更には、本発明の電子放出素子を複数配置した電子源を用いれば、大面積の均一で良好な画質の画像を表示できる画像形成装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子放出素子の基板に対向してアノード電極を設け、更に真空容器に設置した状態を表す模式図である。
【図２】本発明の電子放出素子の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の電子放出素子の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の電子放出素子の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の電子放出素子の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の電子放出素子の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の電子放出素子の一例を示す模式図である。
【図８】本発明の電子放出素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図９】従来の電子放出素子の一例を示す模式図である。
【図１０】従来の電子放出素子の断面構造の一例を示す模式図である。
【図１１】本発明の電子放出素子の一例を示す模式図である。
【図１２】本発明の電子放出素子の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１  基板（基体）
２  カソード電極
３  ゲート電極
４  導電層
５  電子放出材を含む膜（電子放出膜）
６  アノード基板
７  アノード電極
８  真空容器
９  カソード電極とゲート電極の間隔におけるセンターライン
８１  金属微粒子層
８２  フォトマスク
９１  基板
９２  カソード電極
９３  ゲート電極
９４  電子放出材を含む膜
９５  電子放出材を含む膜の端部
【図１】
0003703459.tif 000002
【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】
0003703459.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003703459.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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