(57)【要約】【課題】電子放出量を向上することができる電子放出素子を提供する。【解決手段】電子放出素子１０Ａは、誘電体で構成されたエミッタ部１２と、電子放出のための駆動電圧Ｖａが印加される上部電極１４及び下部電極１６とを備える。上部電極１４は、鱗片状の導電性粒子からなり、エミッタ部１２の上面１２ａ上に形成され、複数の開口部２０を有する。上部電極１４のうち、開口部２０の周部２６におけるエミッタ部１２と対向する面が、エミッタ部１２から離間している。また、上記開口部２０の周部２６の側断面視における形状は、当該周部２６の先端である開口部２０の内縁２６ｂに向かって鋭角に尖り、電気力線が集中するような形状に形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体で構成されたエミッタ部と、そのエミッタ部の第１の面に形成されるとともに開口部を有する第１の電極と、前記エミッタ部の第２の面に形成された第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加することにより、前記エミッタ部から前記開口部を介して電子を放出するように構成された電子放出素子であって、
前記第１の電極は、前記開口部における前記第１の面と対向する面と当該第１の面とが離隔して配設されているとともに、
前記開口部の形状は、当該開口部の内縁にて電気力線が集中するような形状を備えていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
誘電体で構成されたエミッタ部と、そのエミッタ部の第１の面に形成されるとともに開口部を有する第１の電極と、前記エミッタ部の第２の面に形成された第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加することにより、前記エミッタ部から前記開口部を介して電子を放出するように構成された電子放出素子であって、
側断面視で長手方向を有する形状であって、前記エミッタ部の前記第１の面上にて、前記長手方向が前記第１の面に沿うように配置された複数の導電性粒子の集合体によって、前記第１の電極が構成されており、
前記開口部は、複数の前記導電性粒子の外縁部により構成されたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
請求項２に記載の電子放出素子において、
前記エミッタ部は多結晶体により構成され、
前記第１の電極は、前記導電性粒子の１次粒子及び／又はその１次粒子が集まった２次粒子が、前記エミッタ部の前記第１の面上に複数配置されることにより形成され、
前記１次粒子又は２次粒子の、側断面視における長手方向の長さは、前記多結晶体の結晶粒の平均粒径よりも長いことを特徴とする電子放出素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電子放出素子において、
前記第１の電極が黒鉛からなることを特徴とする電子放出素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電子放出素子において、
前記第１の電極は、更に導電性の微粒子を含むことを特徴とする電子放出素子。
【請求項６】
請求項５に記載の電子放出素子において、
前記微粒子が、前記開口部に対応する前記エミッタ部の前記第１の面上にも付着していることを特徴とする電子放出素子。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の電子放出素子において、
前記微粒子が銀からなることを特徴とする電子放出素子。
【請求項８】
誘電体で構成されたエミッタ部と、そのエミッタ部の第１の面に形成され、開口部を有する第１の電極と、前記エミッタ部の第２の面に形成された第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加することにより、前記エミッタ部から前記開口部を介して電子を放出するように構成された電子放出素子を製造するための、電子放出素子の製造方法であって、
側断面視で長手方向を有する形状の導電性粒子が分散媒に分散されてなるペーストを調製し、
前記エミッタ部の前記第１の面上に、前記ペーストからなる膜を形成し、
前記の膜を加熱することで前記第１の電極を形成することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の電子放出素子の製造方法において、
前記ペーストを調製する際、導電性の微粒子を前記分散媒に分散させ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、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）やバックライト等のディスプレイや、電子線照射装置、光源、電子部品製造装置、電子回路部品のような、電子線を利用した種々の装置における電子線源として適用され得る電子放出素子、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上述の電子放出素子は、周知の通り、所定の真空度の真空中で動作させられるものであって、電子放出部（以下、エミッタ部と称する。）に所定の電界を作用させることによって、エミッタ部から電子を放出させるように構成されている。この電子放出素子がＦＥＤに適用される場合、複数の電子放出素子が二次元的に配列され、これら複数の電子放出素子に対応するように、複数の蛍光体が、電子放出素子と所定の間隔をもってそれぞれ配置される。そして、二次元配列された前記複数の電子放出素子中の、任意の位置のものが選択的に駆動されることによって、任意の位置の電子放出素子から電子が放出され、この放出された電子が蛍光体に衝突することで、任意の位置の蛍光体より蛍光が発せられ、以て所望の表示を行うことができる。
【０００３】
この電子放出素子の具体例としては、例えば、下記特許文献１〜５が挙げられる。これらの具体例においては、いずれもエミッタ部として微細な導体電極が用いられていたため、この微細な導体電極を形成するためにはエッチングやフォーミング加工等による微細加工が必要となり、製造工程が複雑となる。また、電子放出のために高電圧を印加しなければならず、高電圧駆動のためのＩＣ等の部品コストが高くなるという問題もある。このように、前記具体例では、電子放出素子や、これを適用した装置の製造コストが高くなるという問題がある。
【０００４】
そこで、エミッタ部が誘電体で構成された電子放出素子が案出され、例えば、下記特許文献６，７に開示されている。また、誘電体をエミッタ部とする場合の電子放出に関する一般的な知見は、下記非特許文献１〜３にて開示されている。
【０００５】
この特許文献６，７に開示された電子放出素子（以下、単に「従来の電子放出素子」という。）は、誘電体で構成されたエミッタ部の上面の一部をカソード電極で覆うとともに、このエミッタ部の下面上、又はエミッタ部の上面上であってカソード電極と所定の間隔を設けた位置に、接地されたアノード電極を配設することにより構成される。すなわち、エミッタ部の上面側に、カソード電極もアノード電極も形成されていないエミッタ部表面の露出部が、カソード電極の外縁部近傍に存在するように、電子放出素子が構成される。そして、先ず第１段階として、カソード電極とアノード電極との間に、カソード電極の方が高電位となるような電圧が印加され、この印加電圧によって形成された電界によって、エミッタ部（特に前記の露出部）が所定の分極状態に設定される。次に、第２段階として、カソード電極とアノード電極との間に、カソード電極の方が低電位となるような電圧が印加される。このとき、カソード電極の外縁部から１次電子が放出されるとともに、エミッタ部の分極が反転し、この分極が反転したエミッタ部の露出部に、前記の１次電子が衝突することで、エミッタ部から２次電子が放出される。この２次電子が、外部からの所定の電界により所定方向に飛翔することで、この電子放出素子による電子放出が行われる。
【特許文献１】特開平１−３１１５３３号公報
【特許文献２】特開平７−１４７１３１号公報
【特許文献３】特開２０００−２８５８０１号公報
【特許文献４】特公昭４６−２０９４４号公報
【特許文献５】特公昭４４−２６１２５号公報
【特許文献６】特開２００４−１４６３６５号公報
【特許文献７】特開２００４−１７２０８７号公報
【非特許文献１】安岡、石井著「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、ｐ５４６〜５５０（１９９９）
【非特許文献２】V.F.Puchkarev, G.A.Mesyats, On the mechanism of emission from theferroelectric ceramic cathode, J.Appl.Phys., vol. 78, No. 9, 1 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）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記従来の電子放出素子において、電子がカソード電極からエミッタ部に向けて放出される際には、カソード電極の表面上であって電気力線が集中して電界強度が高くなる箇所にて電子放出が起こる（なお、上述したような、導体である電極の表面上にて電気力線が集中することで、その電気力線が集中している部分の電界強度が高くなることを、以下単に「電界集中」と称し、この「電界集中」が起こる箇所のことを、以下単に「電界集中部」と称する。）。
【０００７】
ここで、図１８に、従来の電子放出素子の一例を模式的に示す。この従来の電子放出素子２００においては、エミッタ部２０２の上面に上部電極２０４が、下面に下部電極２０６が形成されている。そして、上部電極２０４は、エミッタ部２０２上に密着して形成されている。この場合の電界集中部は、上部電極２０４とエミッタ部２０２と真空とが交わる所謂３重点（トリプルジャンクション）である、上部電極２０４の外縁部分のみとなる。
【０００８】
しかしながら、上部電極２０４の周縁部分がエミッタ部２０２上に密着されていることから、電子放出箇所である電界集中部は、上部電極２０４の外周を構成する外縁部分に限られる。よって、電子放出箇所の数が限られるために、電子放出量を増やそうとしても、エミッタ部２０２の絶縁破壊が起こらない程度にまでしか駆動電圧を上げられない等のために一定の限界があった。
【０００９】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、電子放出量を向上することができる電子放出素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するため、本発明に係る電子放出素子は、誘電体で構成されたエミッタ部と、そのエミッタ部の第１の面に形成されるとともに開口部を有する第１の電極と、前記エミッタ部の第２の面に形成された第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加することにより、前記エミッタ部から前記開口部を介して電子を放出するように構成されたものであって、前記第１の電極は、前記開口部における前記第１の面と対向する面と当該第１の面とが離隔して配設されているとともに、前記開口部の形状は、当該開口部の内縁にて電気力線が集中するような形状を備えていることを特徴としている。
【００１１】
上述のような、開口部の内縁にて電気力線が集中するような開口部形状は、例えば、開口部の内壁面において側断面視にて鋭角な形状を有する部分を設けたり、当該内壁面に突起物や、開口部における第１の電極の厚さと概略等しいかそれよりも小さい導電性微粒子を付着させたりすることにより実現可能である。また、上記開口部形状は、開口部の内壁面が双曲面状（特に開口部の内縁部分における側断面視上端部と下端部とがともに鋭角となるような双曲面状）に形成されることによっても実現可能である。その他、内縁にて電気力線が集中するような開口部形状は、上述したもの以外にも、様々な態様により実現可能である。
【００１２】
本発明の上記構成によれば、前記第１の電極における前記開口部は、前記エミッタ部の第１の面から離隔しているので、前記第１の面と、前記第１の電極の開口部における前記第１の面と対向する面との間には、ギャップ（空隙）が形成されることとなる。このギャップの生成により、前記第１の電極の開口部における前記第１の面と対向する面と前記エミッタ部の第１の面との間に形成される仮想的なコンデンサの静電容量が、ギャップがない場合よりも小さくなる。よって、駆動電圧のうちの大部分が実質的に当該ギャップ部分に印加されることになり、上述のようなギャップがなかった従来の電子放出素子の構成に比べて、第１の電極の外縁部である開口部の電界強度が上がる。
【００１３】
また、本発明の上記構成によれば、前記第１の電極における前記開口部が前記エミッタ部の第１の面と離隔することで、前記エミッタ部の第１の面と、前記第１の電極の開口部における前記第１の面と対向する面との間にはギャップ（空隙）が形成され、第１の電極における開口部の形状が側断面視で庇状（フランジ状）となる。そして、前記開口部の形状は、当該開口部の内縁にて電気力線が集中するような形状に形成されている。これにより、開口部において、電界集中部となる３重点が当該開口部の内縁とは異なる位置に生じる他、開口部の内縁にも電界集中部が生じる。よって、電子放出箇所を増やすことができる。
【００１４】
このように、本発明の上記構成によれば、電界集中部にてより高い電界強度が得られるとともに、電界集中部をより多くすることができ、且つより高い電界集中を容易に発生させることができる。よって、電子放出量を向上することができる電子放出素子を提供することが可能になる。
【００１５】
ここで、本発明の電子放出素子は、特に、第１段階として、前記第１の電極が前記エミッタ部よりも低電位となるような駆動電圧を印加することで、前記第１の電極から前記エミッタ部に向けて電子の放出（供給）が行われ、すなわち、当該エミッタ部上に電子が蓄積（エミッタ部が帯電）され、第２段階として、前記第１の電極が前記エミッタ部よりも高電位となるような駆動電圧を印加することで、このエミッタ部上に蓄積された電子が放出される、という動作を行うものであることが好適である。かかる動作は、例えば、以下の通りに行い得る。
【００１６】
第１の電極と第２の電極との間に印加される駆動電圧としては、例えば、所定の基準電位（例えば０Ｖ）に対して、パルス状又は交流状に印加される電圧が用いられる。
【００１７】
先ず、第１段階において、第１の電極が基準電位よりも低電位となり、第２の電極が基準電位よりも高電位となるような駆動電圧が、第１の電極と第２の電極との間に印加される。すると、この駆動電圧による電界により、エミッタ部の分極方向が、エミッタ部の第１の面に正電荷が現れるような方向とされるとともに、上述の電界集中部において電界集中が発生し、第１の電極からエミッタ部に向けて電子の供給が行われる。これにより、エミッタ部の第１の面上であって、第１の電極における開口部に対応した部分には、当該部分の表面に現れた正電荷に引き寄せられることで電子が蓄積される。すなわち、エミッタ部の第１の面のうち、第１の電極における開口部に対応した部分が帯電することになる。このとき、第１の電極が電子供給源として機能する。
【００１８】
次に、第２段階において、駆動電圧が急減に変化して、第１の電極が基準電位よりも高電位となり、第２の電極が基準電位よりも低電位となるような駆動電圧が、第１の電極と第２の電極との間に印加される。すると、この駆動電圧による電界により、エミッタ部の分極方向が反転し、エミッタ部の第１の面に負電荷が現れる。これにより、前記第１段階において、エミッタ部の第１の面のうち、第１の電極の開口部に対応した部分に付着した電子は、分極反転により静電斥力を受けることで、エミッタ部の第１の面上から飛翔し、この飛翔した電子が開口部を介して外部に放出される。
【００１９】
このような動作によれば、前記第１段階における前記エミッタ部の帯電量の制御は比較的容易であるため、安定した電子放出量が高い制御性で得られる。
【００２０】
また、第１の電極における、エミッタ部の第１の面と離隔した開口部が、エミッタ部の第１の面から放出される電子に対して、ゲート電極又はフォーカス電子レンズのような機能を果たし得るので、放出電子の直進性を向上させることができる。
【００２１】
なお、上記構成において、第１の電極に複数の開口部を形成すれば、１つの電子放出素子における電子放出が、当該第１の電極が占める領域内にて偏りやばらつきが抑えられた均等なものとなり得る。
【００２２】
また、上記本発明に係る電子放出素子は、上述と同様のエミッタ部と、第１の電極と、第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加することにより電子を放出するように構成されているとともに、側断面視で長手方向を有する形状であって、前記エミッタ部の前記第１の面上にて、前記長手方向が前記第１の面に沿うように配置された複数の導電性粒子の集合体によって、前記第１の電極が構成されており、前記開口部は複数の前記導電性粒子の外縁部により構成されていることを特徴としている。
【００２３】
かかる構成によれば、前記第１の電極は、側断面視で長手方向を有する形状の導電性粒子を、前記エミッタ部の前記第１の面上に、前記長手方向が前記第１の面に沿うように複数配置することにより形成され、前記開口部は複数の前記導電性粒子の外縁部により構成されている。したがって、上述したような、前記エミッタ部と前記第１の電極の開口部との間のギャップ（空隙）や、第１の電極の開口部における庇形状を容易に実現することができる。
【００２４】
ここで、前記第１の電極を構成する、側断面視で長手方向を有する形状の導電性粒子としては、例えば、鱗片状、円盤状、コイルばね状、中空円筒状の粒子や、側断面視で棒状、針状、半球状、長円状、半長円状の形状の粒子等、様々な形状の粒子を採用し得る。
【００２５】
なお、導電性粒子は、前記エミッタ部の前記第１の面上に、前記長手方向が前記第１の面に沿うように複数配置されるが、この際、前記長手方向が、必ずしも前記エミッタ部の第１の面と完全に平行である必要はなく、一般的にみて、上述のような作用を奏する前記ギャップや庇形状が形成される程度に「寝た」状態で、導電性粒子が前記第１の面上に配置されていればよい。例えば、導電性粒子の側断面視における長手方向と、前記エミッタ部の第１の面とのなす角度は、略３０度以下であればよい。
【００２６】
また、上記本発明に係る電子放出素子においては、前記エミッタ部は多結晶体により構成され、前記第１の電極は、前記導電性粒子の１次粒子及び／又はその１次粒子が集まった２次粒子が、前記エミッタ部の前記第１の面上に複数配置されることにより形成され、前記１次粒子又は２次粒子の、側断面視における長手方向の長さが、前記多結晶体の結晶粒の平均粒径よりも長くなるよう構成されることが好適である。
【００２７】
ここで、多結晶体の場合には、結晶粒界にて凹部が生じやすい。よって、この凹部を利用すれば、前記導電性粒子の１次粒子又は２次粒子を、前記エミッタ部の前記第１の面上に単に複数配置するだけで、上述のような庇形状が生じやすい。
【００２８】
また、上記本発明に係る電子放出素子においては、前記第１の電極を黒鉛で構成することが好適である。黒鉛粉末は、鱗状や鱗片状等、比較的鋭い端部を有する形状の導電性粒子である。換言すれば、側断面視で長手方向を有する形状を有している。したがって、この黒鉛粉末を用いて前記第１の電極を構成すれば、上述したような、前記エミッタ部と前記第１の電極の開口部との間のギャップ（空隙）や、第１の電極の開口部における庇形状や、開口部の内縁にて電気力線が集中するような開口部の内縁部分の形状を、容易に実現することができる。
【００２９】
また、上記本発明に係る電子放出素子においては、前記第１の電極は、更に導電性の微粒子を含むことが好適である。ここで、前記微粒子は、前記第１の電極の表面上に露呈されていることがさらに好適である。これにより、当該微粒子が前記第１の電極の表面に突起物の如く存在することとなるので、この突起形状による効果から、この微粒子が電界集中部となり得るため、電子放出箇所をさらに増加させることができる。また、前記微粒子は、前記開口部に対応する前記エミッタ部の前記第１の面上にも付着していることがさらに好適である。これにより、誘電体で構成されたエミッタ部上に、前記微粒子からなる微小なフロート電極が設けられることとなる。このフロート電極は、前記第１の電極からエミッタ部に対して放出された電子を多量に蓄積するために好適であり、電子放出素子における電子放出量をさらに増加させることができるものであるところ、このフロート電極を前記微粒子により構成すれば、例えば、前記第１の電極を前記エミッタ部の第１の面上に形成する際に当該第１の電極を構成する材料とともに前記第１の面上に塗布する等、簡単な工程でフロート電極を前記エミッタ部の第１の面上に設けることができる。
【００３０】
また、上記本発明に係る電子放出素子においては、前記微粒子が銀からなることが好適である。これにより、導電性の微粒子を含んだ前記第１の電極を簡易且つ安価に実現することができる。特に、前記第１の電極として黒鉛を用いた場合であって、当該第１の電極の形成過程において、酸素ガスを含む雰囲気下における加熱工程が含まれる場合、この加熱工程により銀微粒子のまわりの黒鉛が酸化されて侵食を受ける。これにより、第１の電極の外縁部の形状が、鋭い端部を有するものや、電極内部に貫通孔による開口部を有するものとなりやすい。よって、電界集中部がさらに増加し得ることとなり、より好適な電極形状を得ることが可能になる。
【００３１】
また、上述のような構成の電子放出素子は、以下の製造方法によって製造され得る。
【００３２】
すなわち、側断面視で長手方向を有する形状の導電性粒子が分散媒に分散されてなるペーストを調製し、前記エミッタ部の前記第１の面上に、前記ペーストからなる膜を形成し、前記の膜を加熱することで前記第１の電極を形成する。
【００３３】
これにより、（前記ペーストの粘度や配合比を適宜調整することで）上述の膜形成後、膜に対する加熱が完了するまでに、導電性粒子の自重や表面エネルギー等の作用により、上述したような、導電性粒子を「寝た」状態にすることができ、前記エミッタ部と前記第１の電極の開口部との間のギャップ（空隙）や、第１の電極における開口部の庇形状を有した好適な電子放出素子を容易に製造することができる。
【００３４】
また、上記の製造方法において、前記ペーストを調製する際、導電性の微粒子を前記分散媒に分散させるようにすることが好適である。これにより、上述したような、電界集中部がより多く、電子放出量が向上された電子放出素子を容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明に係る電子放出素子によれば、高い電界集中を容易に発生させることができ、しかも、電界集中部をより多くすることができる。よって、電子放出量を向上することができる電子放出素子を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明に係る電子放出素子の好適な実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
先ず、本実施の形態に係る電子放出装置は、ディスプレイ、電子線照射装置、光源、ＬＥＤの代替用途、電子部品製造装置、電子回路部品のような、電子線を利用した種々の装置の電子線源に適用することができる。
【００３８】
電子線照射装置における電子線は、現在普及している紫外線照射装置における紫外線に比べ、高エネルギーで吸収性能に優れる。適用例としては、半導体装置では、ウェハーを重ねる際における絶縁膜を固化する用途、印刷の乾燥では、印刷インキをむらなく硬化する用途や、医療機器をパッケージに入れたまま殺菌する用途等がある。
【００３９】
光源としての用途は、高輝度、高効率仕様向けであって、例えば超高圧水銀ランプ等が使用されるプロジェクタの光源用途等がある。本実施の形態に係る電子放出装置を光源に適用した場合、小型化、長寿命、高速点灯、水銀フリーによる環境負荷低減という特徴を有する。
【００４０】
ＬＥＤの代替用途としては、屋内照明、自動車用ランプ、信号機等の面光源用途や、チップ光源、信号機、携帯電話向けの小型液晶ディスプレイのバックライト等がある。
【００４１】
電子部品製造装置の用途としては、電子ビーム蒸着装置等の成膜装置の電子ビーム源、プラズマＣＶＤ装置におけるプラズマ生成用（ガス等の活性化用）電子源、ガス分解用途の電子源等がある。また、テラＨｚ駆動の高速スイッチング素子、大電流出力素子といった真空マイクロデバイス用途もある。その他、プリンタ用部品、つまり、蛍光体との組合せにより感光ドラムを感光させる発光デバイスや、誘電体を帯電させるための電子源としても好ましく用いられる。
【００４２】
電子回路部品としては、大電流出力化、高増幅率化が可能であることから、スイッチ、リレー、ダイオード等のデジタル素子、オペアンプ等のアナログ素子への用途がある。
【００４３】
先ず、第１の実施の形態に係る電子放出素子について、図１〜図８を用いて説明する。
【００４４】
図１は、本実施形態の電子放出素子１０Ａの一部を拡大した側断面図である。当該電子放出素子１０Ａは、図１に示すように、誘電体で構成された板状のエミッタ部１２と、該エミッタ部１２の第１の面である上面１２ａ上に形成されるとともに開口部２０を備えた第１の電極としての上部電極１４と、エミッタ部１２の第２の面である下面１２ｂ上に形成された第２の電極としての下部電極１６とを有する。そして、上部電極１４及び下部電極１６には、これら上部電極１４と下部電極１６との間に駆動電圧Ｖａを印加するパルス発生源１８が接続されている。
【００４５】
そして、本電子放出素子１０Ａは、上部電極１４から供給された電子を、開口部２０に対応する上面１２ａ上に蓄積した後に、この上面１２ａ上に蓄積された電子を、開口部２０を介して外部に放出するように構成されている。
【００４６】
なお、図１においては、一対の上部電極１４・下部電極１６の一部に対応する、電子放出素子１０Ａの一部分について図示されているものとする。また、本電子放出素子１０Ａは、所定の真空雰囲気中にて作動するものであり、雰囲気（特に図１におけるエミッタ部１２の上面１２ａの上方の空間）中の真空度は、例えば、１０2〜１０-6Ｐａが好ましく、より好ましくは１０-3〜１０-5Ｐａである。
【００４７】
本実施形態におけるエミッタ部１２は、誘電体を材質とする多結晶体から構成されている。図１に示すエミッタ部１２の厚みｈは、上部電極１４と下部電極１６との間に駆動電圧を印加した場合に、当該エミッタ部１２にて分極反転が生じ、且つ絶縁破壊が起こらない程度の電界強度となるように、駆動電圧との関係で決定される。例えば、エミッタ部１２の絶縁破壊電圧が１０ｋＶ／ｍｍ以上であるとした場合、駆動電圧として１００Ｖを印加するとすれば、理論的にはエミッタ部１２の厚みｈは１０μｍ以上であればよいことになるが、絶縁破壊が起こらないようにマージンを見て、エミッタ部の厚みｈは２０μｍ程度に設定されることが好ましい。また、エミッタ部１２を構成する誘電体の結晶粒径は、０．１μｍ〜１０μｍが好ましく、さらに好ましくは２μｍ〜７μｍである。図１の例では、誘電体の粒径を３μｍとしている。なお、エミッタ部１２の結晶粒径は、例えば、各粒子の形状をその平面視での面積と同一面積の円形と近似した場合の平均直径として求めることができる。
【００４８】
下部電極１６は、本実施形態では、厚みが２０μｍ以下であるとよく、好適には５μｍ以下であるとよい。
【００４９】
上部電極１４は、本実施形態では、厚みｔが０．１μｍ≦ｔ≦２０μｍとなるように形成されており、エミッタ部１２が外部に露出される複数の開口部２０を有する。また、上述の通りエミッタ部１２は多結晶体から構成されているので、エミッタ部１２の上面の表面には、誘電体の結晶粒界による凹凸２２が形成されている。そして、上部電極１４の開口部２０は、前記誘電体の粒界における凹部２４に対応した部分に形成されている。図１の例では、１つの凹部２４に対応して１つの開口部２０が形成される場合を示しているが、複数の凹部２４に対応して１つの開口部２０が形成される場合もある。
【００５０】
また、図２に示すように、開口部２０は、当該開口部２０の内縁で構成される開口２０ａと、その開口２０ａの周囲の部分である周部２６とからなる。そして、上部電極１４のうち、開口部２０の周部２６におけるエミッタ部１２と対向する面２６ａが、エミッタ部１２から離隔している。つまり、上部電極１４のうち、開口部２０の周部２６におけるエミッタ部１２と対向する面２６ａとエミッタ部１２との間にギャップ２８が形成され、上部電極１４における開口部２０の周部２６が庇状（フランジ状）に形成された形となっている。従って、以下の説明では、「上部電極１４の開口部２０の周部２６」を「上部電極１４の庇部２６」と記す。また、「上部電極１４のうち、開口部２０の周部２６におけるエミッタ部１２と対向する面２６ａ」を「上部電極１４の庇部２６の下面２６ａ」と記す。なお、図１〜図６中では、誘電体の粒界の凹凸２２の凸部３０の断面を代表的に半円状で示してあるが、この形状に限るものではない。
【００５１】
また、本実施形態では、エミッタ部１２の上面１２ａ、すなわち、誘電体の粒界における凸部３０の表面（凹部２４の内壁面でもある）と、上部電極１４の庇部２６の下面２６ａとのなす角の最大角度θを、１°≦θ≦６０°としている。また、エミッタ部１２の誘電体の粒界における凸部３０の表面（凹部２４の内壁面）と、上部電極１４の庇部２６の下面２６ａとの間の鉛直方向に沿った最大間隔ｄを、０μｍ＜ｄ≦１０μｍとしている。
【００５２】
さらに、本実施形態では、上部電極１４は、図３に示すように、鱗片状の形状を有する多数の導電性粒子１５（例えば黒鉛）から構成されている。すなわち、上部電極１４は、多数の導電性粒子１５が、当該導電性粒子１５の側断面視における長手方向がエミッタ部１２の第１の面１２ａに沿うように「寝た」状態で配置されることにより形成されている。具体的には、導電性粒子１５の側断面視における長手方向と、エミッタ部１２の第１の面１２ａ（結晶粒界による凹凸２２を平均化した滑らかな仮想平面）とのなす角度が略３０度以下であるように、各導電性粒子１５が上記第１の面１２ａ上に配置されている。
【００５３】
この導電性粒子１５は、本実施形態においては、エミッタ部１２を構成する誘電体の結晶粒径よりも大きい一次粒子の大きさ（側断面視における最も長い長手方向の長さ）となるものが用いられている。図１の例では、エミッタ部１２の結晶粒径が３μｍであることからすれば、導電性粒子１５の一次粒子の大きさは略５μｍ以上であれば好適である。
【００５４】
また、開口部２０は、図３に示すように、平面視にて、多数の導電性粒子１５の外縁部１５ａにより構成されている。すなわち、開口部２０における開口２０ａは、複数の導電性粒子１５の外縁部１５ａで囲まれた空間により形成され、上述の庇部２６は、複数の導電性粒子１５の外縁部１５ａにより構成されている。
【００５５】
また、エミッタ部１２の上面と上部電極１４と該電子放出素子１０Ａの周囲の媒質（例えば、真空）との接触箇所においてトリプルジャンクション（上部電極１４とエミッタ部１２と真空との接触により形成される３重点）２６ｃが形成されている。そして、このトリプルジャンクション２６ｃは、上部電極１４と下部電極１６との間に駆動電圧Ｖａを印加した場合に、電気力線の集中（電界集中）が生じる箇所（電界集中部）である。なお、ここにいう「電気力線の集中」とは、仮に上部電極１４，エミッタ部１２，及び下部電極１６を側断面視無限長の平板として電気力線を描く場合に、下側電極１６から均等間隔で発した電気力線が集中する箇所をいうものとする。この電気力線の集中（電界集中）の様子は、有限要素法による数値解析によって簡単にシミュレーションすることができる。このトリプルジャンクション２６ｃは、開口部２０に対応する位置の他、上部電極１４の外周における外縁部にも生ずる。
【００５６】
さらに、本実施形態においては、開口部２０は、当該開口部２０の内縁２６ｂが電界集中部となるような形状を備えている。具体的には、上記開口部２０の庇部２６の側断面視における形状は、当該庇部２６の先端である上記内縁２６ｂに向かって鋭角に尖っている（厚みが徐々に薄くなっていく）ように形成されている。このような開口部２０の形状を有する上部電極１４は、側断面視にて長手方向を有する形状の粒子である導電性粒子１５を、上述の通り、当該導電性粒子１５の側断面視における長手方向がエミッタ部１２の第１の面１２ａに沿うように「寝た」状態で配置することにより、簡易な方法で形成することができる。
【００５７】
ここで、開口部２０は、平面視にて開口２０ａの形状を当該開口２０ａの面積と同面積となるような円形に近似した場合の直径の平均が、０．１μｍ以上、２０μｍ以下となるように形成されている。その理由は、以下の通りである。
【００５８】
図２に示すように、エミッタ部１２のうち、上部電極１４と下部電極１６（図１参照）間に印加される駆動電圧Ｖａに応じて分極が反転あるいは変化する部分は、上部電極１４が形成されている直下の部分（第１の部分）４０と、開口部２０の内縁（内周）から開口部２０の内方に向かう領域に対応した部分（第２の部分）４２であり、特に、第２の部分４２の発生範囲は、駆動電圧Ｖａのレベルや当該部分の電界集中の度合いによって変化することになる。そして、本実施形態における開口２０ａの平均径（０．１μｍ以上、２０μｍ以下）の範囲であれば、開口部２０にて放出される電子の放出量が充分稼げるとともに、効率よく電子を放出することができる。すなわち、開口２０ａの平均径が０．１μｍ未満の場合、上部電極１４から供給された電子を蓄積して電子放出に寄与する主要な領域である第２の部分４２の面積が小さくなり、放出される電子の量が少なくなる。一方、開口２０ａの平均径が２０μｍを超えると、エミッタ部１２の前記開口部２０から露出した部分のうち、第２の部分４２の割合（占有率）が小さくなり、電子の放出効率が低下する。
【００５９】
次に、電子放出素子１０Ａの電子放出原理について、図４〜図６を用いて説明する。本実施形態では、上部電極１４と下部電極１６との間に印加される駆動電圧Ｖａとしては、図４に示す通り、基準電圧を０Ｖとし、第１段階としての時間Ｔ１は、上部電極１４の方が下部電極１６よりも低電位となる（負電圧）Ｖ２となり、続く第２段階としての時間Ｔ２は、上部電極１４の方が下部電極１６よりも高電位となる（正電圧）Ｖ１となるような、周期が（Ｔ１＋Ｔ２）である矩形波が用いられる。
【００６０】
また、初期状態において、エミッタ部１２が一方向に分極されていて、例えば双極子の負極がエミッタ部１２の上面に向いた状態（図５Ａ参照）となっている場合を想定して説明する。
【００６１】
先ず、基準電圧が印加されている初期状態では、図５Ａに示すように、双極子の負極がエミッタ部１２の上面に向いた状態となっていることから、エミッタ部１２の上面には電子がほとんど蓄積されていない状態となっている。
【００６２】
その後、負電圧Ｖ２を印加すると、分極が反転する（図５Ｂ参照）。この分極反転によって、上記した電界集中部である内縁２６ｂやトリプルジャンクション２６ｃにおいて電界集中が発生し、上部電極１４における上記の電界集中部からエミッタ部１２の上面１２ａに向けた電子放出（供給）が起こり、例えば上面１２ａのうち、上部電極１４の開口部２０から露出する部分や上部電極１４の庇部２６近傍の部分に電子が蓄積される（図５Ｃ参照）。すなわち、上面１２ａが帯電することになる。この帯電は、エミッタ部１２の表面抵抗値により一定の飽和状態となるまで可能であるが、制御電圧の印加時間により帯電量を制御することが可能である。このように、上部電極１４（特に上記電界集中部）が、エミッタ部１２（上面１２ａ）への電子供給源として機能する。
【００６３】
その後、負電圧Ｖ２から、図６Ａの如く一旦基準電圧となった後、さらに、正電圧Ｖ１が印加されると、分極が再度反転し（図６Ｂ参照）、双極子の負極によるクーロン反発力により、上面１２ａに蓄積されていた電子が開口２０ａを通過して外部に向けて放出される（図６Ｃ参照）。
【００６４】
なお、上部電極１４における、開口部２０のない外周部における外縁部においても、上述と同様に電子放出が行われている。
【００６５】
また、本実施形態においては、図７に示すように、電気的な動作において、上部電極１４と下部電極１６間に、エミッタ部１２によるコンデンサＣ１と、各ギャップ２８による複数のコンデンサＣａの集合体とが形成された形となる。すなわち、各ギャップ２８による複数のコンデンサＣａは、互いに並列に接続された１つのコンデンサＣ２として構成され、等価回路的には、集合体によるコンデンサＣ２にエミッタ部１２によるコンデンサＣ１が直列接続された形となる。
【００６６】
実際には、集合体によるコンデンサＣ２にエミッタ部１２によるコンデンサＣ１がそのまま直列接続されることはなく、上部電極１４への開口部２０の形成個数や全体の形成面積等に応じて、直列接続されるコンデンサ成分が変化する。
【００６７】
ここで、図８に示すように、例えばエミッタ部１２によるコンデンサＣ１のうち、その２５％が集合体によるコンデンサＣ２と直列接続された場合を想定して、容量計算を行ってみる。先ず、ギャップ２８の部分は真空であることから比誘電率は１となる。そして、ギャップ２８の最大間隔ｄを０．１μｍ、１つのギャップ２８の部分の面積Ｓ＝１μｍ×１μｍとし、ギャップ２８の数を１０，０００個とする。また、エミッタ部１２の比誘電率を２０００、エミッタ部１２の厚みを２０μｍ、上部電極１４と下部電極１６の対向面積を２００μｍ×２００μｍとすると、集合体によるコンデンサＣ２の容量値は０．８８５ｐＦ、エミッタ部１２によるコンデンサＣ１の容量値は３５．４ｐＦとなる。そして、エミッタ部１２によるコンデンサＣ１のうち、集合体によるコンデンサＣ２と直列接続されている部分を全体の２５％としたとき、該直列接続された部分における容量値（集合体によるコンデンサＣ２の容量値を含めた容量値）は０．８０５ｐＦであり、残りの容量値は２６．６ｐＦとなる。
【００６８】
これら直列接続された部分と残りの部分は並列接続されているから、全体の容量値は、２７．５ｐＦとなる。この容量値は、エミッタ部１２によるコンデンサＣ１の容量値３５．４ｐＦの７８％である。つまり、全体の容量値は、エミッタ部１２によるコンデンサＣ１の容量値よりも小さくなる。
【００６９】
このように、複数のギャップ２８によるコンデンサＣａの集合体については、ギャップ２８によるコンデンサＣａの容量値が相対的に小さいものとなり、エミッタ部１２によるコンデンサＣ１との分圧から、印加電圧Ｖａのほとんどはギャップ２８に印加されることになり、各ギャップ２８において、電子放出の高出力化が実現される。
【００７０】
また、集合体によるコンデンサＣ２は、エミッタ部１２によるコンデンサＣ１に直列接続された構造となることから、全体の容量値は、エミッタ部１２によるコンデンサＣ１の容量値よりも小さくなる。このことから、電子放出は高出力であり、全体の消費電力は小さくなるという好ましい特性を得ることができる。
【００７１】
以上に詳述した通り、本実施形態に係る電子放出素子１０Ａにおいては、上部電極１４に庇部２６を形成したことにより、トリプルジャンクション２６ｃが、上部電極の内縁２６ｂとは異なる場所に生じ得る。さらに、開口部２０は、当該開口部２０の内縁２６ｂが電界集中部となるような形状を備えている。よって、庇部２６がない場合と比して電界集中部の数を大幅に増やすことができる。特に、本実施形態の庇部２６は、当該庇部２６の先端である上記内縁２６ｂに向かって鋭角に尖っているように形成されているので、当該内縁２６ｂの形状が直角ないし鈍角の場合よりも電界集中の度合いを高め、エミッタ部１２の上面１２ａへの電子蓄積量を増やすことが可能になる。
【００７２】
また、エミッタ部１２の上面１２ａにおいて、誘電体の粒界における凸部３０の表面（凹部２４の内壁面）と、上部電極１４の庇部２６の下面２６ａとのなす角の最大角度θを、１°≦θ≦６０°とし、エミッタ部１２の誘電体の粒界における凸部３０の表面（凹部２４の内壁面）と、上部電極１４の庇部２６の下面２６ａとの間の鉛直方向に沿った最大間隔ｄを、０μｍ＜ｄ≦１０μｍとしたので、これらの構成により、ギャップ２８の部分での電界集中の度合いをより大きくすることができ、エミッタ部１２の上面１２ａへの電子蓄積量を増やすことが可能になる。
【００７３】
さらに、上述の庇部２６の形成により、上部電極１４のうち、開口部２０の庇部２６におけるエミッタ部１２と対向する下面２６ａとエミッタ部１２との間にギャップ２８が形成され、このギャップ２８における仮想的なコンデンサの静電容量の影響で、駆動電圧Ｖａのうちの大部分が実質的に当該ギャップ２８に印加されることになり、開口部２０における電界が強くなる。よって、開口部２０にて同じ電界強度を得るために必要な駆動電圧Ｖａの絶対値を小さくすることが可能になる。
【００７４】
また、上部電極１４の庇部２６がフォーカス電子レンズ等ゲート電極（制御電極、）として機能するため、放出電子の直進性を向上させることができる。これは、電子放出素子１０Ａを多数並べて例えばディスプレイの電子源として構成した場合に、クロストークを低減する上で有利となる。
【００７５】
特に、本実施形態では、エミッタ部１２の少なくとも上面１２ａは、誘電体の粒界による凹凸２２が形成され、上部電極１４は、誘電体の粒界における凹部２４に対応した部分に開口部２０が形成されるようにしたので、上部電極１４の庇部２６を簡単に実現させることができる。
【００７６】
また、上部電極１４に複数の開口部２０を形成したことから、各開口部２０並びに上部電極１４の外周における外縁部から電子が放出されるので、電子放出素子１０Ａ全体の電子放出特性のばらつきが低減し、電子放出の制御が容易になると共に、電子放出効率が高くなる。
【００７７】
このように、本実施形態に係る電子放出素子１０Ａにおいては、高い電界集中を容易に発生させることができ、しかも、電子放出箇所を多くすることができ、電界強度も高めることができる。よって、電子放出量の向上、電子放出の高効率化を図ることができ、低電圧駆動・低消費電力な電子放出素子及びその応用製品を提供することが可能となる。
【００７８】
次に、本実施形態に係る電子放出素子１０Ａを使用して構成されたディスプレイ１００について、図９を用いて説明する。
【００７９】
ディスプレイ１００においては、図９に示すように、上部電極１４の上方に、例えばガラスやアクリル製の透明板１３０が配置され、該透明板１３０の裏面（上部電極１４と対向する面）に例えば透明電極にて構成されたコレクタ電極１３２が配置され、該コレクタ電極１３２には蛍光体１３４が塗布される。なお、コレクタ電極１３２にはバイアス電圧源１３６（コレクタ電圧Ｖｃ）が抵抗を介して接続される。また、電子放出素子１０Ａは、当然のことながら、真空空間内に配置される。雰囲気中の真空度は、１０2〜１０-6Ｐａが好ましく、より好ましくは１０-3〜１０-5Ｐａである。
【００８０】
このような範囲を選んだ理由は、低真空では、（１）空間内に気体分子が多いため、プラズマを生成し易く、プラズマが多量に発生され過ぎると、その正イオンが多量に上部電極１４に衝突して損傷を進めるおそれや、（２）放出電子がコレクタ電極１３２に到達する前に気体分子に衝突してしまい、コレクタ電圧Ｖｃで十分に加速した電子による蛍光体１３４の励起が十分に行われなくなるおそれがあるからである。
【００８１】
一方、高真空では、電界が集中するポイントから電子を放出し易いものの、構造体の支持、及び真空のシール部が大きくなり、小型化に不利になるという問題があるからである。
【００８２】
次に、第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂについて、図１０を参照しながら説明する。
【００８３】
この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂは、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、上部電極１４を構成する導電性粒子１５は、一次粒子１５ａとしてのみならず、二次粒子１５ｂとしてもエミッタ部１２の上面１２ａ上に存在する。そして、二次粒子１５ｂの、側断面視における長手方向の長さが、エミッタ部１２を構成する多結晶体の結晶粒径よりも大きいことを特徴とする。
【００８４】
この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂにおいても、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａと同様の作用・効果を奏する。
【００８５】
さらに、第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃについて、図１１を参照しながら説明する。
【００８６】
この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃは、上述した第１ないし第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ，１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、上部電極１４は、上記と同様の導電性粒子１５の他、導電性微粒子１９から構成されている。かかる導電性微粒子１９は、導電性粒子１５の一次粒子の厚さ（側断面視における長手方向と直交する方向の幅）と略同等か、それよりも小さいことが好適である。例えば、導電性粒子１５の厚みが約２μｍである場合、導電性微粒子１９の平均粒径は、好ましくは１μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以下である。これにより、同一の上部電極１４内における各導電性粒子１５間の導通が容易に確保され得る。
【００８７】
ここで、前記導電性微粒子１９は、図１１に示されているように、上部電極１４の表面上、特に庇部２６にて露呈されていることが好適である。これにより、当該導電性微粒子１９が上部電極１４の表面に突起物の如く存在することとなるので、この突起形状による効果から、この導電性微粒子１９も電界集中部となり得るため、エミッタ部１２の上面１２ａに対する電子供給箇所をさらに増加させることができる。また、導電性微粒子１９は、開口部２０に対応するエミッタ部１２の上面１２ａ上にも付着していることがさらに好適である。これにより、誘電体で構成されたエミッタ部１２上に、上記導電性微粒子１９からなる微小なフロート電極が設けられることとなる。このフロート電極は、上部電極１４からエミッタ部１２に対して放出された電子を多量に蓄積するために好適であり、電子放出素子における電子放出量をさらに増加させることができるものであるところ、このフロート電極を前記導電性微粒子１９により構成すれば、例えば、後述するように、上部電極１４をエミッタ部１２の上面１２ａ上に形成する際に導電性粒子１５と導電性微粒子１９とを混合してエミッタ部１２の上面１２ａ上に塗布する等、簡単な工程でフロート電極をエミッタ部１２の上面１２ａ上に設けることができる。
【００８８】
さらに、上記の導電性粒子１５として炭素系材料（例えば黒鉛）、導電性微粒子１９として銀を用いた場合で、上部電極１４の形成の際に加熱処理がおこなわれるときは、この加熱処理の際に、銀の微粒子の周りの黒鉛等が酸化により侵食されるために、上部電極１４の外縁部の形状が、鋭い端部を有するものや、電極内部に貫通孔による開口部を有するものとなりやすい。これにより、電界集中部がさらに増加し得ることとなり、より好適な電極形状を得ることが可能になる。
【００８９】
ここで、上述のような構成を有する本発明の電子放出素子の製造方法について、実施例を交えて説明する。
【００９０】
エミッタ部１２を構成する誘電体は、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とができる。このような誘電体としては、チタン酸バリウムのほかに、ジルコン酸鉛、マグ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、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み合わ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、さらにランタン、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、もしくはこれらのいずれかの組み合わせ、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。
【００９１】
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。
【００９２】
特に、ｎ＝０．８５〜１．０、ｍ＝１．０−ｎでは比誘電率３０００以上となり好ましい。例えば、ｎ＝０．９１、ｍ＝０．０９では室温の比誘電率１５０００が得られ、ｎ＝０．９５、ｍ＝０．０５では室温の比誘電率２００００が得られる。
【００９３】
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ほかに、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％混入させるとよい。
【００９４】
また、エミッタ部１２は、上述したように、圧電／電歪層や反強誘電体層等を用いることができるが、エミッタ部１２として圧電／電歪層を用いる場合、該圧電／電歪層としては、例えば、ジルコン酸鉛、マグ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、又はこれらのいずれかの組み合わせを含有するセラミックスが挙げられる。
【００９５】
主成分がこれらの化合物を５０重量％以上含有するものであってもよいことはいうまでもない。また、前記セラミックスのうち、ジルコン酸鉛を含有するセラミックスは、エミッタ部１２を構成する圧電／電歪層の構成材料として最も使用頻度が高い。
【００９６】
また、圧電／電歪層をセラミックスにて構成する場合、前記セラミックスに、さらに、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、もしくはこれらのいずれかの組み合わせ、又は他の化合物を、適宜、添加したセラミックスを用いてもよい。また、前記セラミックスにＳｉＯ2、ＣｅＯ2、Ｐｂ5Ｇｅ3Ｏ11もしくはこれらのいずれかの組み合わせを添加したセラミックスを用いてもよい。具体的には、ＰＴ−ＰＺ−ＰＭＮ系圧電材料にＳｉＯ2を０．２ｗｔ％、もしくはＣｅＯ2を０．１ｗｔ％、もしくはＰｂ5Ｇｅ3Ｏ11を１〜２ｗｔ％添加した材料が好ましい。
【００９７】
例えば、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛及びチタン酸鉛とからなる成分を主成分とし、さらにランタンやストロンチウムを含有するセラミックスを用いることが好ましい。
【００９８】
圧電／電歪層は、緻密であっても、多孔質であってもよく、多孔質の場合、その気孔率は４０％以下であることが好ましい。
【００９９】
エミッタ部１２として反強誘電体層を用いる場合、該反強誘電体層としては、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、さらにはジルコン酸鉛に酸化ランタンを添加したもの、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が望ましい。
【０１００】
また、この反強誘電体層は、多孔質であってもよく、多孔質の場合、その気孔率は３０％以下であることが望ましい。
【０１０１】
さらに、エミッタ部１２にタンタル酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9）を用いた場合、分極反転疲労が小さく好ましい。このような分極反転疲労が小さい材料は、層状強誘電体化合物で、（ＢｉＯ2）2+（Ａm-1ＢmＯ3m+1）2-という一般式で表される。ここで、金属Ａのイオンは、Ｃａ2+、Ｓｒ2+、Ｂａ2+、Ｐｂ2+、Ｂｉ3+、Ｌａ3+等であり、金属Ｂのイオンは、Ｔｉ4+、Ｔａ5+、Ｎｂ5+等である。さらに、チタン酸バリウム系、ジルコン酸鉛系、ＰＺＴ系の圧電セラミックスに添加剤を加えて半導体化させることも可能である。この場合、エミッタ部１２内で不均一な電界分布をもたせて、電子放出に寄与する上部電極１４との界面近傍に電界集中を行うことが可能となる。
【０１０２】
また、圧電／電歪／反強誘電体セラミックスに、例えば鉛ホウケイ酸ガラス等のガラス成分や、他の低融点化合物（例えば酸化ビスマス等）を混ぜることによって、焼成温度を下げることができる。
【０１０３】
また、圧電／電歪／反強誘電体セラミックスで構成する場合、その形状はシート状の成形体、シート状の積層体、あるいは、これらを他の支持用基板に積層又は接着したものであってもよい。
【０１０４】
また、エミッタ部１２に非鉛系の材料を使用する等により、エミッタ部１２を融点もしくは蒸散温度の高い材料とすることで、電子もしくはイオンの衝突に対し損傷しにくくなる。
【０１０５】
そして、エミッタ部１２を形成する方法としては、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動法、エアロゾルデポジション法等の各種厚膜形成法や、イオンビーム法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）、めっき等の各種薄膜形成法を用いることができる。特に、圧電／電歪材料の粉末化したものを、エミッタ部１２として形成し、これに低融点のガラスやゾル粒子を含浸する方法をとることが好ましい。この手法により、７００℃あるいは６００℃以下といった低温での膜形成が可能となる。
【０１０６】
本実施形態の上部電極１４を構成する導電性粒子１５としては、好適には、鱗片状黒鉛粉末や金属粉末等の鱗片状粉末や、カーボンナノチューブ等の針状ないし棒状粉末が用いられる。この上部電極１４を形成する方法としては、上記の鱗片状粉末を、（必要に応じて分散剤を用いつつ）エチルセルロース等の有機溶媒（バインダ）に分散してペーストを作成し、このペーストを用いて、スピンコート、スクリーン印刷、ディッピング、スプレー塗布等によって、エミッタ部１２の上面に上記ペーストの厚膜を形成し、この厚膜形成されたペーストを熱処理する方法等が用いられ得る。厚膜形成する場合、ペースト粘度を上記厚膜形成に適した１０万〜２０万ｃｐ程度とした場合、印刷後の膜厚は１μ〜２５μｍ程度が好ましく、より好ましくは３〜１５μｍ程度とされる。膜厚が厚すぎると、開口部２０の大きさが小さくなりすぎ、逆に膜厚が薄すぎると、１つの上部電極１４内における導通が確保できなくなる。そして、上記の範囲の膜厚の厚膜形成をした後、熱処理を行うことで、上部電極１４となるべきエミッタ部１２上の形成膜が、バインダの分解とともに電極材のみとなると同時に、複数の開口部２０が形成されていき、結果的に、何らマスキング処理等の特別なパターニング処理を施すことなく、図１等に示すように、上部電極１４に複数の開口部２０及び庇部２６が形成される。ここで、焼成の際の雰囲気は、窒素など不活性ガス雰囲気中であることが（特に炭素系材料を用いた場合に）好ましいが、ペースト中の導電性粒子１５の配合比を適宜調整すれば、大気中その他の酸素雰囲気中（減圧下も含む）でも可能である。
【０１０７】
上部電極１４を形成する際には、上述の通り、より好適には導電性微粒子１９も添加される。かかる導電性微粒子１９は、金属微粒子の他、球状化黒鉛粉末やカーボンブラック等の炭素系微粒子を用いることができる。導電性微粒子１９を添加する場合は、所定の粒径に分級された金属微粒子を用いる他、焼成により最終的に導電性微粒子となりうるものが利用可能であり、例えばレジネート等を用いてもよい。
【０１０８】
導電性粒子１５として炭素系材料を用いる場合（特に大気中その他の酸素雰囲気中）には、上部電極１４を熱処理する際の温度は、好ましくは５００度以下とするとともに、導電性微粒子１９を添加する場合は、この導電性微粒子１９が所定の粒径を超えて凝集ないし粒成長しないような温度を選択する必要がある。
【０１０９】
一方、下部電極１６は、導電性を有する物質、例えば金属が用いられ、白金、モリブデン、タングステン等によって構成される。また、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され、好適には、白金、イリジウム、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、白金とセラミック材料とのサーメット材料によって構成される。さらに好適には、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される。また、下部電極１６として、カーボン、グラファイト系の材料を用いてもよい。なお、電極材料中に添加されるセラミック材料の割合は、５〜３０体積％程度が好適である。もちろん、上述した上部電極と同様の材料を用いるようにしてもよい。そして、下部電極１６を上述の金属や炭素系材料により形成する場合、好適には上記厚膜形成法が用いられる。
【０１１０】
本電子放出素子１０Ａ〜１０Ｃは、エミッタ部１２、上部電極１４及び下部電極１６をそれぞれ形成するたびに熱処理（焼成処理）することで、一体構造にすることができる。なお、上部電極１４や下部電極１６の焼成の際に、必要に応じてガラスや合成樹脂等を（バインダとして）併用すれば、エミッタ部１２との接着性が向上する。エミッタ部１２及び下部電極１６を一体化させるための焼成処理に係る温度としては、５００〜１４００℃の範囲、好適には、１０００〜１４００℃の範囲とするとよい。さらに、膜状のエミッタ部１２を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１２の組成が不安定にならないように、エミッタ部１２の蒸発源と共に雰囲気制御を行いながら焼成処理を行うことが好ましい。
【０１１１】
なお、エミッタ部１２を適切な部材によって被覆し、該エミッタ部１２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方法を採用してもよい。
【実施例１】
【０１１２】
次に、本発明に係る電子放出素子を製造する方法であって、特に上部電極１４を形成する方法について、好適な実施例を示す。
【０１１３】
本実施例では、導電性粒子１５として鱗片状黒鉛粒子を用いるとともに、導電性微粒子１９として銀微粒子を添加した場合を示す。
【０１１４】
上部電極１４を形成する場合、鱗片状黒鉛粉末粒子とバインダとを、（必要に応じて分散剤を使用して）混合し、これに、Ａｇレジネート又はＡｇインクをさらに添加することでペーストを得て、このペーストを、エミッタ部１２となる誘電体上に塗布し、熱処理する。
【０１１５】
黒鉛とバインダとの比率は、黒鉛：バインダ＝１：２〜２：１の範囲が好適である。バインダは、好ましくは４００℃以下にて分解する合成樹脂が用いられる。銀微粒子の配合比は、黒鉛と銀との体積比で、黒鉛：銀＝５：５〜９．５：０．５の範囲が適用可能で、７：３〜９：１が好適である。Ａｇインクを用いる場合、インク中に分散している銀微粒子の粒子径は、１μｍ以下が好適であり、０．５μｍ以下がより好適である。銀微粒子の粒子径が上記範囲より大きい場合は、粉砕・解砕等の前処理を行う。
【０１１６】
熱処理は、銀微粒子が上記範囲よりも粗大にならないように、好ましくは４５０℃以下、より好ましくは約４００℃にて行われる。また、加熱焼成の際の雰囲気は、炭素が銀粒子の存在下で酸化が促進されることで黒鉛粒子が侵食されるため、酸素を含む雰囲気下の場合は、窒素雰囲気下の場合よりも若干黒鉛量を多めにすることがあり得る。
（実施例１）
【０１１７】
鱗片状黒鉛粉末（日本黒鉛工業株式会社製  商品名「ＳＰ２０」（平均粒径１５μｍ、厚み約２μｍ））  １０重量部と、分散剤（独ビックケミー社製  Ｄｉｓｐｅｒｂｙｋ−１０８）  １重量部と、バインダ（エチルセルロースと２−エチルヘキサノールとを２５：７５の割合で混合したもの）  ２５重量部とを、３本ロールミルにて混合した。なお、黒鉛粉末が凝集している場合、前処理として、ホモジナイザー等を用いて解砕する必要がある。
【０１１８】
次に、上記の混合物に対し、Ａｇレジネート（ナミックス株式会社製  商品名ＸＥ１０９−４）を、黒鉛と銀の体積比が９：１となるように加え、３本ロールミルにて混合し、ペーストを得た。
【０１１９】
そして、このペーストをテルピネオールで希釈することで、粘度を１０万〜２０万ｃｐ程度に調整し、誘電体上にスクリーン印刷により１５μｍ塗布した。その後、加熱炉中において、１５分間で４００℃まで昇温した後、４００度で２時間程度、空気雰囲気（大気圧）下で加熱し、炉内で徐冷することで、誘電体上に、鱗片状黒鉛の層が数層程度となるような厚さで電極が形成された。この電極を電子顕微鏡で観察したところ、数〜１０μｍ程度の開口部の形成が確認された。
（実施例２）
【０１２０】
鱗片状黒鉛粉末（ＴＩＭＣＡＬ社製  商品名「ＫＳ２５」（平均粒径２５μｍ、厚み約２μｍ））と、Ａｇインクを用いた以外は、上記実施例１と同様である。Ａｇインクは、銀の微粒子を分散媒中に分散したインクであって、ハリマ化成株式会社製  商品名「ＮＰＳ−Ｊ」（平均粒径約７ｎｍ）  ５重量部と、低重合度ポリビニルブチラール（積水化学工業株式会社製  エスレックＢ  ＢＬ−Ｓ）  １０重量部と、テルピネオール１０重量部とを混合したものを用い、配合比は上記実施例１と同様である。この実施例２によっても、上記実施例１と同様に、数〜１０μｍ程度の開口部の形成が確認された。
【０１２１】
なお、本発明に係る電子放出素子は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の本質的部分を変更しない限りにおいて、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【０１２２】
例えば、内縁にて電界集中部となるような開口部２０の形状について、上記各実施形態にて説明した形状の他、例えば、図１２〜１５のような様々な形状とすることが可能である。
【０１２３】
また、図１５に示すように、エミッタ部１２の上面１２ａのうち、開口部２０と対応する部分にフローティング電極５０を存在させてもよい。
【０１２４】
さらに、上記実施形態の製造方法においては、上部電極１４の開口部２０は、ペーストの粘度や配合比、膜厚制御により、単に厚膜形成するだけで、特段のマスキング等を用いなくても形成することができるが、図１７に示すように、特定形状の孔３２が形成されるようにマスキング等を用いて形成しても差し支えない。この場合、孔３２は微視的に見れば、導電性粒子１５の形状の影響で、いびつな形状を有しており、エミッタ部１２に対する電子供給箇所の増加という作用・効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】第１の実施の形態に係る電子放出素子を一部省略して示す断面図である。
【図２】上記電子放出素子の要部を拡大して示す断面図である。
【図３】上部電極に形成された開口部の形状の一例を示す平面図である。
【図４】上記電子放出素子に適用される駆動電圧の電圧波形を示す図である。
【図５】上記電子放出素子の動作の様子を示す説明図である。
【図６】上記電子放出素子の動作の様子を示す説明図である。
【図７】上部電極とエミッタ部との間のギャップ形成により上部電極−下部電極間の電界が受ける影響について説明するための等価回路図である。
【図８】上部電極とエミッタ部との間のギャップ形成により上部電極−下部電極間の電界が受ける影響について説明するための等価回路図である。
【図９】上記電子放出素子を適用したディスプレイの概略を示す構成図である。
【図１０】第２の実施の形態に係る電子放出素子を一部省略して示す断面図である。
【図１１】第３の実施の形態に係る電子放出素子を一部省略して示す断面図である。
【図１２】第１〜第３の実施の形態に係る電子放出素子における上部電極の庇部の断面形状の変形例を示す図である。
【図１３】上部電極の庇部の断面形状のさらに他の変形例を示す図である。
【図１４】上部電極の庇部の断面形状のさらに他の変形例を示す図である。
【図１５】上部電極の庇部の断面形状のさらに他の変形例を示す図である。
【図１６】第１〜第３の実施の形態に係る電子放出素子にてフロート電極を設けた変形例を示す図である。
【図１７】第１〜第３の実施の形態に係る電子放出素子における開口部形状の変形例を示す図である。
【図１８】従来の電子放出素子を一部省略して示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…電子放出素子、１２…エミッタ部、１２ａ…上面、１４…上部電極、１５…導電性粒子、１６…下部電極、１９…導電性微粒子、２０…開口部、２６…庇部、２６ｂ…内縁、２８…ギャップ、１００…ディスプレイ
【図１】
2006024370.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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【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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