(57)【要約】【課題】  良好なエミッション特性を保ちつつ、信頼性の高い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、第２電極は、複数の細孔を有す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、
前記第２電極は、複数の細孔を有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記第２電極は、メッシュ金属より構成されていることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記第２電極は、少なくとも導電性微粒子より構成されていることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項４】
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、
前記第２電極は、導体層を形成後、前記第１電極と前記導体層に電圧を印加することで細孔が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、
前記第２電極は、導体層を形成後、エッチングを行うことで細孔が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、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型やＢＳＤ（Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇＤｅｖｉｃｅ）型など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６（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】
特許文献１に示されたＭＩＭ型や、ＭＩＳ型、ＢＳＤ型等の平面型の電界放射型電子放出素子では、無機絶縁体膜６７等の電子通過層で加速されたホットエレクトロンが表面電極である電極６４を透過して放射されることより、表面電極の膜厚が電子放出素子のエミッション特性に大きな影響を与える。すなわち、表面電極の膜厚を薄くするほど、表面電極での電子のトラップが減少し、エミッション特性は向上する。
【０００７】
ところが、電子放出素子の成膜プロセスの製造ばらつきなどにより、表面電極を均一に薄く成膜することは難しい。また、仮に薄く成膜できたとしても、電子放出素子の製造工程における熱プロセスや、電子通過層に電流を流すことにより生じるジュール熱の影響により、表面電極が融解又は凝集し、導通がとれなくなる虞がある。さらに、表面電極が断線すると電子放出素子として全く機能しなくなることもあり、信頼性の高い電子放出素子を製造することが困難であった。
【０００８】
すなわち、電子放出素子の表面電極を均一に薄くすればエミッション特性は向上するが、表面電極が薄いと熱の影響を受けやすく、強度も弱くなるため長期間安定した電子の放出は期待できなくなるというトレードオフの関係が生じる。
【０００９】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、良好なエミッション特性を保ちつつ、信頼性の高い電子放出素子を提供することにある。
【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に、本発明に係る電子放出素子は、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、第２電極は、複数の細孔を有することを特徴とする。
【００１１】
また、上記第２電極は、メッシュ金属より構成されていることを特徴としてもよい。
【００１２】
また、上記第２電極は、少なくとも導電性微粒子より構成されていることを特徴としてもよい。
【００１３】
本発明に係る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、第２電極は、導体層を形成後、第１電極と導体層に電圧を印加することで細孔が形成されることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る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、第２電極は、導体層を形成後、エッチングを行うことで細孔が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電子放出素子によれば、良好なエミッション特性を保ちつつ、信頼性の高い電子放出素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態における電子放出装置の構成を示す模式図である。
【図２】実施例１の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図３】実施例２の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図４】実施例３の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図５】実施例４の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図６】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】
【００１７】
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。
【００１８】
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。この中間層３は例えば、導電性微粒子を含んだ樹脂よりなる半導電体層から構成されている。第２電極２は、複数の細孔を有している。
【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Ｖ１を印可する第１電源６Ａを備えている。電子放出装置２０は、第１電源６Ａ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。
【００２０】
さらに、本発明の電子放出装置２０は、上記電子放出素子１０と対向して第３電極５と、第３電極５と第２電極２の間に電圧Ｖ２を印加する第２電源６Ｂを備えている。電子放出素子１０から放出された電子を第３電極５の電界により引き寄せることで、電子を回収、また真空中においては電子へ加速エネルギーを与える。
【００２１】
従来、ＭＩＭ型等の電子放出素子において印加電圧により加速された電子は第２電極を透過して電子放出素子外へ放出される。そのため、第２電極は仕事関数が低い導電体で数ｎｍ〜数十ｎｍの薄膜で形成する必要がある。ところが、電流を流すと、中間層において導電性微粒子が凝集した部分や層の厚みが薄い部分は、ジュール熱により局所的に加熱され、第２電極の劣化が起きたり、中間層と第２電極の熱膨張係数が異なるために、熱応力により剥離が生じる。この課題は第２電極を厚膜にすることで、熱による耐性や熱の拡散性を向上するため、解決が可能であるが、第２電極を厚膜にした場合、印加電圧により加速した電子は第２電極にトラップされ、電子放出素子外へ放出することができなかった。
【００２２】
本発明の電子放出素子１０によれば、第２電極２が複数の細孔を有しており、この細孔は、第２電極２を貫通する穴部や、第２電極２の一部に形成された凹部を含む。第１電極１と第２電極２の間に印加される電圧Ｖ１により加速された電子が第２電極２に形成された凹部により電極が薄くなった部分、もしくは穴部により電極が存在しない部分より電子放出素子１０外へ放出される。
【００２３】
このような構成とすることで、第２電極の厚みをある程度保ちながら、良好な電子放出を行うことができる。よって、良好なエミッション特性を保ちつつ、電極の劣化や損傷を防ぎ、信頼性の高い電子放出素子を実現することが可能となる。
【００２４】
本発明の電子放出素子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やフィルムの帯電装置、具体的には複写機などに用いることができる。
【００２５】
また、真空中では大気圧中と異なり、電子放出素子１０により発生した電子を第３電極５により加速させることが可能となる。これにより第３電極５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、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。
【００２６】
＜実施例１＞
図２は、実施例１の電子放出素子１０ａを示す断面図である。実施例１の電子放出素子１０ａは、基板を兼ねた第１電極１と、中間層３と、複数の細孔を備えた第２電極２ａとを備えている。
【００２７】
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としては、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。
【００２８】
中間層３は、主体となる樹脂３１と、樹脂３１中に分散された導電性微粒子３２を含んでいる。樹脂３１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３２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３１に添加する導電性微粒子３２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。
【００２９】
中間層３の作製方法は特に制限するものではないが、実施例１では大気中でも安定して電子を放出可能な樹脂３１と導電性微粒子３２により構成した。中間層３は、樹脂３１と導電性微粒子３２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３１としてシリコーン樹脂（室温硬化性樹脂、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３２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。
【００３０】
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。
【００３１】
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３１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、０．３〜５．０μｍとすることができる。
【００３２】
中間層３は上記構成以外にも、ＳｉＯ２やＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの絶縁性微粒子を含んでいてもよく、また導電性微粒子などにより導電性を調整したガラスや半導体などを用いることができる。
【００３３】
次に中間層３の表面に金属メッシュを接着させることにより第２電極２ａを形成する。接着には導電性ペーストもしくは中間層３を形成するために用いたシリコーン樹脂と導電性微粒子の混合溶液を用いることができる。
【００３４】
金属メッシュは、（株）ステム社製ＴＥＭ用試料支持膜のうち、銅製で孔径１００μｍ、厚み約２５μｍのものを用いた。第２電極２ａの材料は第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であれば特に制限されるものではない。大気中で使用する場合は、酸化による第２電極２ａ材料の導電性低下を防止するために、酸化されにくい金や白金などの貴金属類がより好ましい。
【００３５】
第２電極２ａは厚膜であるほど熱による劣化を受けにくいため、電子放出素子の信頼性が向上する。しかし、膜が厚すぎる場合、中間層３で加速され放出された電子は、第２電極２ａを透過できずに、第２電極２ａへトラップされ、放出効率が低下してしまう。本実施例ではこの第２電極２ａとして、金属メッシュを用い、金属メッシュの細孔から電子を放出するので、電子放出量の低下を抑制することができる。電子は細孔の外周部から放出される。したがって、より孔径が小さくかつ孔の密度が高い程、効率よく電子を放出することが可能となる。細孔径は第２電極２ａの厚さが薄いほど第２電極２ａへ電子がトラップされにくくなるため、より小さい細孔径の金属メッシュでよいが、第２電極２ａの強度、電圧の強度等を加味して適宜調整すればよい。
【００３６】
実施例１の電子放出素子１０ａは、図１に示す電子放出装置２０により電子放出性能を測定する。上記の電子放出装置２０を大気圧中で駆動し、電子放出素子１０ａから第３電極５へ流れる電子量を電子放出電流として測定した。第３電極５に印加する直流電圧Ｖ２は０．５ｋＶであり、電子放出素子１０ａに印加する交流電圧Ｖ１は０〜２５Ｖとしたところ、Ｖ１が２０〜２５Ｖ、Ｖ２が５００Ｖのとき約６×１０−９Ａ／ｃｍ２の放出電流を得ることができた。
【００３７】
通常、電子放出素子の第２電極として、細孔を有していない電極を用いた場合は、数〜数十ｎｍ程度の厚みの電極でないと、電子を放出することができない。このようにごく薄い電極を用いた場合は、熱による電極の劣化や損傷が危惧されるが、本発明のように細孔を有する第２電極２ａを用いることで、電極の厚みを保持しながら、電子を放出することができるので、良好なエミッション特性を保ちつつ、信頼性の高い電子放出素子を得ることができる。
【００３８】
＜実施例２＞
図３は、実施例２の電子放出素子１０ｂの構成を示す断面図である。実施例２の電子放出素子１０ｂにおいて、実施例１の電子放出素子１０ａと異なるのは、第２電極２ｂが導電微粒子分散液で形成されていることである。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。
【００３９】
中間層３を形成後、中間層３上に導電微粒子分散液により、第２電極２ｂを形成する。導電微粒子分散液としては、固形分濃度６４．３ｗｔ％の導電微粒子分散液（ハリマ化成製、テトラデカン分散液）を用いた。これをスピンコート法、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。スピンコート法を用いて膜厚約１μｍの第２電極２ｂを作製し、その後、２２０℃で１時間加熱硬化を行った。導電微粒子分散液は有機成分をバインダーとして含んでいるため、加熱により導電微粒子分散液に含まれる有機成分を蒸発させることにより、細孔を形成する。従来の方法では、薄膜を形成するためにスパッタや蒸着法などの真空装置を必要とする手法が用いられてきた。しかし本実施例の方法を用いることで、電子放出素子作製工程を全て大気中で作製することができるため、製造コストの削減となる。
【００４０】
上記の方法で作製した電子放出素子ｍ１０ｂについて、実施例１と同様にして、放出電流量を測定したところ、Ｖ１が１９Ｖ、Ｖ２が５００Ｖのとき約２．５×１０−７Ａ／ｃｍ２の放出電流を得ることができた。
【００４１】
＜実施例３＞
図４は、実施例３の電子放出素子１０ｃの構成を示す断面図である。実施例３の電子放出素子１０ｃにおいて、上記のそれぞれの実施例の電子放出素子と異なるのは、第２電極２ｃの細孔の組成及び形成方法である。それ以外の構成は上記各実施例と同じであり、詳細な説明は省略する。
【００４２】
中間層３を形成後、中間層３上にスパッタや蒸着、めっきなどの手法を用いて第２電極２ｃとなる金属層を形成する。この時用いられる材料としては、金、白金、アルミ、チタン、銀、銅、クロム、ニッケル、ＩＴＯなど、導電性を有する材料であれば特に限定されない。中でも金、白金、銀などは、酸化による導電性の低下が生じにくいため、特に好ましい。この時点ではまだ、金属層には細孔は形成されていない。
【００４３】
第２電極２ｃとなる金属層を形成後、第１電極１と金属層へ電圧Ｖ１を印加することで、中間層３へ電流が流れる。中間層３全体の抵抗は１０５〜１０９Ω・ｃｍと抵抗が高く、かつ導電性を調整するＡｇナノ粒子は不均一に分布しているため、電流の導通路は局所的となる。したがって、局所的に抵抗熱が発生することで金属層の一部が融解し、金属層に複数の細孔が形成され、第２電極２ｃとなる。形成された細孔は、電子の放出部となる。
【００４４】
さらに、細孔を形成後、第２電極２ｃ上にさらに上記と同様の方法により、電極材料を追加、電圧Ｖ１を印加することで、電極を厚膜化することが可能となる。このように金属層に通電により細孔を形成後、電極膜を追加、通電することを繰り返すことにより、より厚膜化した細孔を有した第２電極２を形成することも可能となる。
【００４５】
中間層の電子放出効率、すなわち第１電極と第２電極への電圧印加により中間層に流れる電流（素子内電流）の内、第２電極より電子放出素子外へ放出される電子の割合が一定の場合、電子放出量は素子内電流の増加に伴い上昇する。従来の均一な薄膜は、素子内電流値が多くジュール熱が発生しやすい部分、つまりは電子放出量の多い部分から第２電極２の劣化が進行しやすくなる。実施例１に記載の方法で中間層３を作製すると、銀の凝集や第１電極１の凹凸と中間層３の膜厚の不均一により、中間層３の面方向の抵抗率が不均一となり易い。そのため、銀凝集部や中間層３の膜厚が薄い部分では他に比較して電流が流れやすくなる。
【００４６】
本実施例の方法で電子放出素子１０ｃを作製した場合、第２電極２ｃに形成される細孔は、電子が放出される位置に合わせて形成され、またそれ以外は膜厚が厚く、ジュール熱による破壊を受けにくいため、表面電極の劣化を抑制して長期間安定して電子を放出することが可能となる。
【００４７】
＜実施例４＞
図５は、実施例４の電子放出素子１０ｄの構成を示す断面図である。実施例４の電子放出素子１０ｄにおいて、実施例３の電子放出素子と異なるのは、第２電極２ｄ細孔の形成方法である。それ以外の構成は実施例３と同じであり、詳細な説明は省略する。
【００４８】
中間層３を形成後、中間層３上にスパッタや蒸着、めっきなどの手法を用いて第２電極２ｄとなる金属層を形成する。この金属層にエッチングを施すことにより、細孔を形成することができる。エッチングの手法については特に限定を行わないが、薬液を用いるウエットエッチングの場合、エッチング液により中間層３が侵食される場合があるため、ウエットエッチングを行う際には、中間層３の樹脂の種類と第２電極２ｄ、エッチング液の選定に特に注意する必要がある。
【００４９】
本実施例の方法で電子放出素子１０ｄを作製した場合、第２電極２ｄに形成される細孔の密度、位置、大きさを任意に形成することができる。
【００５０】
以上、それぞれの実施例で説明したとおり、本発明の電子放出素子は、電極の厚みを保持しながら、電子を放出することができるので、良好なエミッション特性を保ちつつ、信頼性の高い電子放出素子を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係る電子放出素子は、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】
【００５２】
１  第１電極
２、２a、２ｂ、２ｃ２ｄ  第２電極
３  中間層
６Ａ  第１電源
６Ｂ  第２電源
１０、１０a、10ｂ、１０ｃ、１０ｄ  電子放出素子
２０  電子放出装置
３１  樹脂
３２  導電性微粒子
【図１】
2014241232.tif 000003
【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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