(57)【要約】【課題】  電極の反りや薄膜の剥離が生じることなく、大気中および真空中で安定した電子放出が可能な電子放出素子を提供する。【解決手段】  本発明の電子放出素子は、第１電極１と、第２電極２と、第１電極１と第２電極２の間の中間層３とを有し、第１電極１と第２電極２の間に電圧を印可することにより、第２電極２から電子を放出させる電子放出素子であって、中間層３は、導電性微粒子５を含んだ樹脂４であることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間の中間層とを有し、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印可することにより、前記第２電極から前記電子を放出させる電子放出素子であって、
前記中間層は、導電性微粒子を含んだ樹脂であることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記中間層は、絶縁性微粒子を含まない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】
前記樹脂は、シリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記第１電極は、可撓性基板上に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの一つに記載の電子放出素子。
【請求項５】
第１電極上に中間層を形成する工程と、
前記中間層上に第２電極を形成する工程とを含み、
前記中間層は、樹脂と導電性微粒子の分散液を塗布することにより形成されることを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項６】
基板上に第１電極を形成する工程と、
第１電極上に中間層を形成する工程と、
前記中間層上に第２電極を形成する工程とを含み、
前記中間層は、前記樹脂と前記導電性微粒子の分散液を塗布した後、前記樹脂の硬化を行う際に、前記基板、前記樹脂、前記第１電極、前記第２電極に熱応力による亀裂や剥離が生じない加熱温度以下の温度で形成されることを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を印加することにより電子を放出する電子放出素子およ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、ＭＩＭ（Metal Insulator Metal）型やＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）型の電子放出素子が開発されている。これらは、素子内部の量子サイズ効果およ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る。これらの電子放出素子は、素子外部に強電界を必要とせず、素子内部の電子加速層で電子を加速させるので、陽イオンやオゾンを発生させずに電子を放出することができる。
【０００３】
ＭＩＭ型の電子放出素子として、例えば、特許文献１を挙げることができる。図７（ａ）、（ｂ）に、特許文献１の電子放出素子の断面図と平面図を示す。特許文献１の電子放出素子は、ガラス等の絶縁基板６１と、電圧印加用の２枚の電極６２、６４と、該電極間に無機絶縁体膜６７を有し、電極６２と電極６４が重なる部分で電子放出部６９を形成している。そして、電子加速層として機能する無機絶縁体膜６７が、導電性微粒子６８（Ａｕ微粒子）を含有するＳｉＯ２液体コーティング剤で形成されていることを特徴としている。
【０００４】
特許文献１の電子放出素子によれば、無機絶縁体膜６７が導電性微粒子６８を含むことにより、比較的厚い無機絶縁体膜６７でも電子放出が可能となり、絶縁耐圧の高い電子放出素子を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−２９８６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の電子放出素子は、導電性微粒子６８が分散した無機絶縁体膜６７を形成する際に、ＳｉＯ２液体コーティング剤を４００℃の高温で焼成する必要があり、絶縁基板６１となるガラスやセラミック、電極６２となる金属材料、無機絶縁体膜６７のそれぞれが異なる熱膨張率の組み合わせを４００℃の高温で焼成すると、電極６２や絶縁体膜６７の剥離や亀裂が生じる場合があった。電極６２や無機絶縁体膜６７に剥離や亀裂が生じると、剥離や亀裂による部分的な欠損によって電子放出点の不均一化が生じたり、素子自体の破壊につながる。
【０００７】
また、特許文献１の絶縁基板６１と電極６２の代りに金属基板を用いることも可能であるが、この場合でも上記と同様に熱膨張率の違いから絶縁性膜６７に亀裂や膜の剥離が発生する。この金属基板を薄膜化した場合は、金属基板と無機絶縁体膜６７の密着力により、金属基板に反りが発生する場合もある。
【０００８】
以上のように、高温加熱により無機絶縁体膜を形成する場合は、熱膨張率の違いによる剥離や亀裂、反り等を生じさせないように、加熱温度や基板材料、絶縁体膜の材料選定、膜厚に制限が生じる。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、加熱による薄膜の剥離や亀裂、または金属基板の反りが生じることなく、大気圧および真空中でも安定した電子放出が可能な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】
【００１０】
上記の課題を解決するため、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極の間の中間層とを有し、第１電極と第２電極の間に電圧を印可することにより、第２電極から電子を放出させる電子放出素子であって、中間層は、導電性微粒子を含んだ樹脂であることを特徴とする。
【００１１】
また、中間層は、絶縁性微粒子を含まないことを特徴とする。
【００１２】
本発明の電子放出素子の製造方法は、第１電極上に中間層を形成する工程と、中間層上に第２電極を形成する工程とを含み、中間層は、樹脂と導電性微粒子の分散液を塗布することにより形成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明の電子放出素子の製造方法は、基板上に第１電極を形成する工程と、第１電極上に中間層を形成する工程と、中間層上に第２電極を形成する工程とを含み、中間層は、樹脂と導電性微粒子の分散液を塗布した後、樹脂の硬化を行う際に基板、樹脂、第１電極、第２電極に熱応力による亀裂や剥離が生じない加熱温度以下の温度で形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電子放出素子によれば、基板と樹脂、電極に熱応力による亀裂や剥離が生じない電子放出素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態における電子放出素子の構成を示す断面図である。
【図２】実施例１の電子放出素子の構成を示す断面図である。
【図３】実施例１の電子放出素子の構成を示す平面図である。
【図４】大気中での電子放出を確認するための実験系を示す断面図である。
【図５】印加電圧に対する電子放出量を示すグラフである。
【図６】真空中での電子放出を確認するための実験系を示す断面図である。
【図７】実施例２の電子放出素子の構成を示す断面図である。
【図８】特許文献１の電子放出素子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一実施形態について図１に基づいて説明すると以下の通りである。なお、以下に記述する構成は、本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態における電子放出素子１０と、電子放出素子１０を用いた電子放出装置２０の構成を示す断面図である。本発明の電子放出素子１０は、対向して配置される第１電極１と、第２電極２とを有し、第１電極１と第２電極２との間に中間層３を備えている。そして、中間層３が導電性微粒子５を含んだ樹脂４であることを特徴としている。
【００１８】
本発明の電子放出素子１０によれば、中間層３が導電性微粒子５を含んだ樹脂４であるため、高温での焼成工程を得ずに中間層３を形成することができ、熱膨張率の異なる中間層３や第１電極１に大きな体積変化を生じさせることがないため、第１電極１に反りを生じさせたり、中間層３の剥離や亀裂が生じることを防止できる。このため、中間層３や第２電極２の剥離による部分的な欠損を抑制し、均一な電子放出性能をもつ電子放出素子を得ることができる。
【００１９】
また、本発明の電子放出装置２０は、上記の電子放出素子１０と、第１電極１と第２電極２との間に電圧を印可する第１電源８Ａを備えている。電子放出装置２０は、第１電源８Ａにより、第１電極１と第２電極２との間に適度な電圧Ｖ１を印可することにより、該電極間で電子を加速させて第２電極２の表面から電子を放出するものである。
また、本発明の中間層３は絶縁性微粒子が含まれていない。絶縁性微粒子が含まれた場合、一般に絶縁性微粒子の粒子径が小さくなるほど絶縁性微粒子の凝集が発生しやすくなるため、絶縁性微粒子の分散状態により中間層の膜厚が不均一になる場合がある。電子放出量は印加電圧Ｖ１により形成される中間層３内部の電界強度が強いほど増加するため、中間層３の膜厚が均一なほど電界強度が均一にかかり、面方向での均一な電子放出を可能とする。本発明の電子放出素子１０によれば、絶縁性微粒子による膜厚の不均一が発生しないため、面方向での均一な電子放出が可能となる。
【００２０】
本発明により作製した電子放出素子１０は、真空中および大気圧中でも安定して駆動が可能であることが確認されている。電子放出素子１０を大気中で駆動させることにより、第２電極２の表面から放出される電子で大気中の分子をイオン化できるため、イオン発生装置としてイオン風冷却装置や粒子の帯電装置などに用いることができる。
【００２１】
また、真空中では、大気圧中と異なり電子放出素子１０より発生した電子を電子放出素子１０と対向するように配置した第３対向電極７０により加速させることが可能となる。これにより電子放出素子１０の第３電極７０側に蛍光体層を配置した場合、第２電極２から放出される電子を蛍光体層に照射することにより、蛍光体層を発光させることができるので、自発光装置として用いることもできる。その他にも電子線源として殺菌や滅菌、ＥＢ硬化、ＳＥＭなどの分析装置などに用いることができる。
【００２２】
＜実施例１＞
図２は、実施例１の電子放出素子１１を示す断面図であり、図３は、電子放出素子１１の平面図である。実施例１の電子放出素子１１は、第１電極１と、第１電極１の上に形成された絶縁膜６と、中間層３と、第２電極２とを備えている。
【００２３】
第１電極１は、基板の機能を兼ねる電極基板であり、導電性を有する板状体で構成されている。例えば、第１電極１として、２３ｍｍ角のＳＵＳ基板を用いることができる。また、第１電極１は、セラミックやガラスなどの絶縁性基板上に導電性薄膜を形成したものを用いることもできる。
【００２４】
第１電極１の上に形成される絶縁膜６は、第１電極１が部分的に露出されるような開口部を有している。本発明の電子放出素子１１において、絶縁膜６が必須とされるものではないが、このような絶縁膜６を設けることにより、中間層３を介して第１電極１と第２電極２が重なって形成される電子放出部７（電子が放出される領域）を規定することができる。実施例１の電子放出素子１１では、５ｍｍ角の矩形状の開口部を有する絶縁膜６を用いている。
【００２５】
次に、電子放出素子１１の特徴部となる中間層３について説明する。中間層３は、図１に示した実施形態と同様に、主体となる樹脂４と、樹脂４中に分散された導電性微粒子５を含んでいる。樹脂４は、絶縁性の樹脂材料であり、例えば、シラノール(R3Si-OH)を縮合重合したシリコーン樹脂を用いることができる。また、導電性微粒子５は、金属や半導電体など導電性材料を用いることが可能である。例えば、金、銀、白金、パラジウム等の導電性を有する金属微粒子を用いることができる。樹脂４に添加する導電性微粒子５の含有量を変えることにより、中間層３の抵抗値を調整することができる。
【００２６】
中間層３は、樹脂４と導電性微粒子５を混合した分散液を用い、スピンコート法、ドクターブレード法、スプレー法、ディッピング法等により塗布することができる。上記の分散液は、試薬瓶へ樹脂４としてシリコーン樹脂（室温硬化性、東レ・ダウコーニング株式会社製）を入れ、これに導電性微粒子５としてＡｇナノ粒子（平均径１０ｎｍ、絶縁被覆アルコラート１ｎｍ膜、株式会社応用ナノ粒子研究所製）を混合し、さらに上記混合液が入った試薬瓶を超音波振動器にかけて作製した。
【００２７】
なお、樹脂４と導電性微粒子５の分散液の割合は、シリコーン樹脂（８０〜９９％）、Ａｇナノ粒子（１〜２０％）の範囲が好ましい。上記分散液の割合とすることにより、中間層３の抵抗値が調整され、５〜４０Ｖ程度の適度な印加電圧で電子放出させることができる。
【００２８】
シリコーン樹脂の種類として室温硬化性シリコーンを用いたが、シリコーン樹脂の硬化方法は限定されない。ただし、熱硬化性シリコーン樹脂は、硬化温度が一般的に１００℃〜１５０℃であり、熱応力による撓みが発生するため、第１電極１の材料や膜厚により適さない場合がある。一方、ＵＶ硬化性シリコーン樹脂は、ＵＶ光の照射によって硬化できるため熱応力が発生することがなく、第１電極１の材料や膜厚に影響されずに用いることができる。
【００２９】
次に、第１電極１上に絶縁膜６が形成され、開口部から第１電極１の一部が露出した状態の表面に、上記で作製した樹脂４と導電性微粒子５の分散液をスピンコート法で塗布した。形成された塗布膜は、大気中の湿気によりシリコーン樹脂が縮合重合し、Ａｇナノ粒子が分散された層状の樹脂４となり、中間層３が形成される。中間層３の膜厚は、電子放出素子に印加する電圧の大きさや中間層３の抵抗値によって異なるが、例えば、０．３〜２．０μｍとすることができる。
【００３０】
次に、中間層３の表面に、マグネトロンスパッタ装置を用いて第２電極２を形成した。第２電極２は、第１電極１との間で中間層３に対して電圧を印加できるものであればよいため、導電性を有する材質および製法であれば特に制限されるものではない。また、第２電極２の膜厚は、厚すぎると電子が第２電極２にトラップされて外部へ放出される電子の量が減少し、電子の放出効率が減少するため、できるだけ薄い方が好ましい。例えば、Ａｕ−Ｐｄを材料とした膜厚５０ｎｍ、面積４９ｍｍ２の第２電極２を形成して、図２及び図３に示した電子放出素子１１を得た。
【００３１】
図４は、実施例１の電子放出素子１１の大気圧中での電子放出性能を測定するための実験系３１を示す模式図である。実験系３１は、電子放出素子１１の第２電極２側に対向電極７０を対向状に配置し、対向電極７０に直流電源８Ｂを接続したものである。上記の実験系３１を大気圧中で駆動し、電子放出素子１１から放出される電子量を電子放出電流として測定した。対向電極７０に印加する直流電圧Ｖ２は０．５ｋＶであり、電子放出素子１１に印加する交流電圧Ｖ１は０〜２５Ｖとした。
【００３２】
図５は、上記実験系３１により電子放出電流を測定した結果を示すグラフである。図５に示すように、実施例１の電子放出素子１１は、大気中で最大で３５μＡ／ｃｍ２の電子放出電流が得られた。また、電子放出素子１１に２５Ｖまで印加しても絶縁破壊が生じることはなかった。
【００３３】
図６は、実施例１の電子放出素子１１の真空中での電子放出性能を測定するための実験系３２を示す模式図である。上記実験系３２において、対向電極７０の電子放出素子１１と相対する側に蛍光体膜７１が形成されている。上記実験系３２を３．３×１０−３Ｐａの真空容器中に設置して、実施例１の電子放出素子１１の電放出性能を測定した。その結果、対向電極７０に印加する直流電圧Ｖ２は０．５ｋＶであり、電子放出素子１１に印加する交流電圧Ｖ１は１５Ｖのとき最大で９９μＡ／ｃｍ２の電子放出電流が得られた。また、このとき電子放出素子１１から電子が放出されたことを蛍光体の発光点より観察することができ、上記発光点は電子放出部７の内部で高い均一性をもって発光していた。
【００３４】
＜実施例２＞
図７は、実施例２の電子放出素子１２の構成を示す断面図である。実施例２の電子放出素子１２において、実施例１の電子放出素子１１と異なるのは、第１電極１を可撓性基板９上に形成したことである。それ以外の構成は実施例１と同じであり、詳細な説明は省略する。
【００３５】
特許文献１のように中間層に無機絶縁材料を用いた電子放出素子は、湾曲等が生じて力が加わると、中間層に亀裂が入り破壊されてしまうので、材料や膜厚の選定によりある程度の機械強度のある基板材料を用いる必要があった。
【００３６】
本発明の電子放出素子１２では、中間層３が柔軟性のある樹脂４を主体としているため可撓性基板９を使用することにより、可撓性を備えた電子放出素子１２を得ることができる。また、実施例１のように室温硬化性の樹脂を使用した場合、高温での熱処理も不要であるため、耐熱性の低い樹脂や紙等を材料とする可撓性基板９を使用することができる。このため、各種可撓性基板９を用いて、可撓性基板９上に第１電極１となる導電性薄膜を形成することにより、可撓性を備えた電子放出素子１２を様々な装置に適用することができる。
【００３７】
例えば、可撓性を備えた電子放出素子１２は、外力による変形に対しても耐えることができ、湾曲した状態で使用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る電子放出素子は、適度な電圧の印加により均一に電子放出させることが可能である。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、あるいは発光体と組み合わせることによる画像表示装置、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るイオン風発生装置等に、好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  第１電極（電極基板）
２  第２電極
３  中間層（電子加速層）
４  樹脂
５  導電性微粒子
６  絶縁膜
７  電子放出部
８  電源部
９  可撓性基板
１０、１１、１２  電子放出素子
【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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