(57)【要約】【課題】電力損失が少ない電子放出素子を提供する。【解決手段】上面に電子放出源２が設けられたカソード電極１と、カソード電極１に一定の距離ｄをおいて平行に対向配置され、電子放出源２からの電子が通過する開口部５ａを有するゲート電極５と、カソード電極１とゲート電極５との間に積層して介在され、電子放出源２からの電子を通過させる開口部３ａ，４ａをそれぞれ有する２層の第１及び第２絶縁体３，４とを備える。第１及び第２絶縁体３，４のうち、カソード電極１に１番目に近い第１絶縁体３の誘電率ε１を、カソード電極１に２番目に近い第２絶縁体４の誘電率ε２より高くした。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放出源を有するカソード電極と、
前記カソード電極に一定の距離をおいて対向配置されたゲート電極と、
前記カソード電極と前記ゲート電極との間に積層して介在された複数の絶縁体と、
前記カソード電極と前記複数の絶縁体にそれぞれ設けられ前記電子放出源からの電子が通過する開口部とを備え、
前記複数の絶縁体のうち、前記カソード電極に１番目に近い絶縁体の誘電率ε１を前記カソード電極に２番目に近い絶縁体の誘電率ε２より大きくした、
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記カソード電極に１番目に近い絶縁体の厚さｄ１が、前記カソード電極と前記ゲート電極間の距離ｄに対し、０＜ｄ１＜０．９ｄであ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】
前記カソード電極に１番目に近い絶縁体の誘電率ε１が、前記カソード電極に２番目に近い絶縁体の誘電率ε２に対し、ε１／ε２≧２であることを特徴とする請求項１または２記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記電子放出源はナノ炭素材料よりなり、前記ナノ炭素材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、カーボンナノコイルからなる群から選択された何れか一つのナノ炭素材料を含むことを特徴とする請求項１乃至３に何れか１項記載の電子放出素子。
【請求項５】
請求項１乃至４に何れか１項記載の電子放出素子を備える、
ことを特徴とする照明ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子および照明ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低消費電力で高輝度のランプとして、電子放出素子の冷陰極電子放出源から電界放出させた電子を蛍光体に衝突させることにより、蛍光体を励起発光させる電界電子放出（フィールドエミッション）型の発光装置が開発されている。これらは、電界電子放出型照明ランプ（Field Emission Lamp：ＦＥＬ）や電界電子放出型表示装置（Field Emission Display：ＦＥＤ）としての用途が見込まれている（特許文献１参照）。
【０００３】
この種の電子放出素子は、図４に示すように、カソード電極３２と、カソード電極３２の上方に電極間距離ｄをおいて平行に対向配置され電子放出用の開口部３４ａを有するゲート電極３４と、開口部３４ａに臨むカソード電極３２上に設けられた電子放出源３６とから構成される。そして、その電子放出機構は、カソード電極３２に対してゲート電極３４にプラスの電位を印加することで、カソード電極表面の電界強度を高め、電子放出源３６から電子を放出するようにしている。そして、放出された電子がゲート電極３４の開口部３４ａを通して、電子放出素子の外部にある蛍光体に当たることにより蛍光体を発光させる。
【０００４】
また、従来の電子放出素子としては、図５に示すように、電子放出源３６を有するカソード電極３２と、カソード電極３２の上方に電極間距離ｄをおいて平行に対向配置され電子放出用の開口部３４ａを有するゲート電極３４と、カソード電極３２とゲート電極３４との間に介在された、開口部３７ａを有する厚さｄ１の絶縁体３７とから構成されるものが知られている。
【０００５】
ところで、電子放出素子の外部にある蛍光体を発光させるためには、電子放出源３６から電子がゲート電極の開口部３４ａを通過する必要がある。
図４に示すように、電子放出源３６を有するカソード電極３２と、このカソード電極３２に電極間距離ｄをおいて相対向して配置され、電子を通過させる開口部３４ａを有するゲート電極３２からなる標準的な電子放出素子を用いて電子の進行経路について、図６を参照して説明する。
電子放出源３６から電子が放出されるように、ゲート電極３４とカソード電極３２間に電圧を印加した場合、図６の破線に示すような等電位面の断面が描ける。放出された電子は、上記等電位面に対して垂直な方向、つまり図６の破線の矢印３８ａに示す方向に進むが、大部分の電子が図６の破線の矢印３８ｂに示すようにゲート電極３４に吸収されるため、電力損失が大きいという問題がある。
そこで、特許文献１のように、ゲート電極のカソード電極と臨まない面に負に帯電させた絶縁体を設け、電子放出源から放出された電子がゲート電極に吸収されるのを低減するようにしている。しかし、この場合は絶縁体を負に帯電させる必要があり、帯電された電位を保持する対策がないため、効果が持続しない問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−５６５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような点に鑑みなされたもので、電力損失を低減できる電子放出素子及びこれを用いた照明ランプ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】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１の本発明は、電子放出素子であって、電子放出源を有するカソード電極と、前記カソード電極に一定の距離をおいて対向配置されたゲート電極と、前記カソード電極と前記ゲート電極との間に積層して介在された複数の絶縁体と、前記カソード電極と前記複数の絶縁体にそれぞれ設けられ前記電子放出源からの電子が通過する開口部とを備え、前記複数の絶縁体のうち、前記カソード電極に１番目に近い絶縁体の誘電率ε１を前記カソード電極に２番目に近い絶縁体の誘電率ε２より大きくしたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載の電子放出素子において、前記カソード電極に１番目に近い絶縁体の厚さｄ１が、前記カソード電極と前記ゲート電極間の距離ｄに対し、０＜ｄ１＜０．９ｄであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の電子放出素子において、前記カソード電極に１番目に近い絶縁体の誘電率ε１が、前記カソード電極に２番目に近い絶縁体の誘電率ε２に対し、ε１／ε２≧４であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１乃至３に何れか１項記載の電子放出素子において、前記電子放出源はナノ炭素材料よりなり、前記ナノ炭素材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、カーボンナノコイルからなる群から選択された何れか一つのナノ炭素材料を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、照明ランプであって、請求項１乃至４に何れか１項記載の電子放出素子を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電子放出素子及びこれを用いた照明ランプにおいては、ゲート電極とカソード電極の間に積層して介在された複数の絶縁体のうち、カソード電極側の絶縁体の誘電率を他の絶縁体の誘電率より高くした。これにより、カソード電極とゲート電極との間の空間において、誘電率に偏りが生じることになり、カソード電極から放出された電子がゲート電極開口を通過する割合を高めることができ、電力損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明にかかる電子放出素子の一実施の形態を示す概略断面図である。
【図２】本実施の形態における電子放出素子の電子の挙動を示す説明用概略断面図である。
【図３】本発明にかかる電子放出素子の他の実施の形態を示す概略断面図である。
【図４】従来における参考例１の電子放出素子を示す概略断面図である。
【図５】従来における参考例２の電子放出素子を示す概略断面図である。
【図６】参考例１、２の電子放出素子の電子の挙動を示す説明用概略断面図である。
【図７】実施例と参考例との評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施の形態１）
以下、本発明にかかる電子放出素子の一実施の形態について、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
本実施の形態１における電子放出素子１０は、上面に電子放出源２が設けられたカソード電極１と、カソード電極１の上面に一定の距離ｄをおいて平行に対向配置され、電子放出源２からの電子が通過させる開口部５ａを有するゲート電極５と、カソード電極１とゲート電極５との間に積層して介在され、電子放出源２からの電子を通過させる開口部３ａ，４ａを有する２層の第１及び第２絶縁体３，４とを備える。第１及び第２絶縁体３，４のうち、カソード電極１に１番目に近い第１絶縁体３の誘電率ε１を、カソード電極1に２番目に近い第２絶縁体４の誘電率ε２より高くした（ε１＞ε２）。
【００１６】
カソード電極１とゲート電極５との間に積層して介在され，電子放出源２からの電子を通過させる開口部を有する絶縁層は，２層より多くてもよく、その場合は、カソード電極１に１番目に近い第１絶縁体の誘電率ε１がカソード電極１に２番目に近い絶縁体の誘電率ε２より高くすればよい。
【００１７】
電子放出源２は、電界を集中させ、電界放出を行なう部位である。この電子放出源２は電界を集中させるのに適した形状であることが好ましく、例えば円錐、円柱などの形状に加工されていてもよい。
【００１８】
また、電子放出源２は、ナノ炭素材料であることが好ましい。炭素材料は、表面に酸化膜を形成しないため、シリコンや金属材料に比較して、低い表面仕事関数をもつ。さらに、ナノオーダーの先端構造を持つため、より低い電界での電子放出を得ることができる。
ここで、ナノ炭素材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、カーボンナノコイル、などが挙げられる。
特に、カーボンナノチューブは高密度で垂直配高して製造することができることが知られており、垂直配向したカーボンナノチューブは電界集中に適した形状および特性を示すことから、本発明の電子放出素子において、電子放出源として用いるのに好ましい。
【００１９】
カソード電極１は、導電性材料であれば良い。例えば、金属材料または半金属材料であれば良く、具体的には、銅、銀、タングステン、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、鋼、ステンレス、インバー、コバール、シリコン、単結晶シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、酸化インジウムスズ、などであってもよい。
【００２０】
ゲート電極５は、カソード電極１上の電子放出源２から電子を放出させ、この電子をアノード電極の方向へと導くための電極である。このゲート電極５は、電子を通過させる開口部５ａを有し、導電性材料よりなる。
ゲート電極５に用いる導電性材料としては、例えば、金属材料または半金属材料であれば良く、具体的には、銅、銀、タングステン、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、鋼、ステンレス、インバー、コバール、シリコン、単結晶シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、酸化インジウムスズ、などであってもよい。
【００２１】
ゲート電極５において、その開口部５ａの形成方法は、機械加工、エッチング、スクリーン印刷などの加工方法を用いて良い。
また、ゲート電極５において、その開口部５ａが形成される領域は、ゲート電極５において、ゲート電極５およびカソード電極１の平面に対して垂直な方向から見たとき、少なくともカソード電極１上の電子放出源２が形成された部分の直上に形成されていればよい。
また、ゲート電極５において、その開口部５ａの形状は、円形、矩形、ライン状など適宜設計し、決定してよい。
また、ゲート電極５は、開口部５ａを有する導電性材料であれば良いことから、金属材料からなるメッシュをゲート電極として用いてもよい。
【００２２】
絶縁体３は、カソード電極１とゲート電極５との間の空間において、誘電率に偏りが生じるために設けるものであり、絶縁体３に誘電率比の大きい材料を用いれば良い。
例えば、アルミナ，窒化ケイ素，窒化アルミ，炭化ケイ素，酸化ジルコニウムなどのセラミック、樹脂またはガラスなどを用いても良い。
【００２３】
本発明の電子放出素子１０は、ゲート電極５のカソード電極１と対向する面側に絶縁体３，４を少なくとも２層形成し、カソード電極１に１番目に近い第１絶縁体３の誘電率ε１が、カソード電極に２番目に近い第２絶縁体４の誘電率ε２より高いことを特徴とする。これにより、カソード電極１とゲート電極５との間の空間において、誘電率に偏りが生じることになり、電子放電源２から放出された電子がゲート電極５の開口部５ａを通過する割合を高めることができる。
これより、本発明の電子放出素子は、電力損失が少なく、駆動コストの低減が図れる。
【００２４】
以下、図１及び図２を用いながら、本発明の電子放出素子について詳述する。
図１では、図示省略した真空容器中に、カソード電極１、ゲート電極５が平行に配置されて構成されている。カソード電極１とゲート電極５の間に第１絶縁体３と第２絶縁体４が介在されている。カソード電極１の上面に電子放出源２が形成されている。ゲート電極５、第１絶縁層３、第２絶縁層４は、カソード電極１の電子放出源２に対応して所定の径を有する開口部５ａ、３ａ、４ａをそれぞれ有している。
このように構成された電子放出素子の場合、電子がゲート電極５の開口部５ａを通過しやすくなる理由を、図２を用いて以下に説明する。
【００２５】
まず、ゲート電極５とカソード電極１が相対向している面である、第１絶縁体３と第２絶縁体４が介在された面間の等電位面について説明する。ゲート電極５とカソード電極１間に蓄えられる電荷Ｑの量は、電極間の電気容量Ｃと、電極間の電圧Ｖにより、次式（１）で求められる。
Ｑ＝Ｃ・Ｖ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
式（１）のゲート電極５とカソード電極１間の電気容量Ｃについて計算する。電極間の電気容量Ｃ、第１絶縁体４の電気容量Ｃ１、第２絶縁体４の電気容量Ｃ２は、第１絶縁体３の誘電率ε１、第２絶縁体４の誘電率ε２、対向する面積Ｓ、第１絶縁体３の厚さｄ１、第２絶縁体４の厚さｄ２により、次式（２）で求められる。
１／Ｃ＝１／Ｃ１＋１／Ｃ２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
Ｃ１＝ε１・Ｓ／ｄ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
Ｃ２＝ε２・Ｓ／ｄ２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
式（２）に式（３）、式（４）を代入すれば、電気容量Ｃは次式（５）となる。
Ｃ＝ε１・ε２・Ｓ／（ε１・ｄ２＋ε２・ｄ１）・・・・・・・・・・（５）
よって、カソード電極１とゲート電極５間に蓄えられる電荷Ｑの量は、式（１）と式（５）より、次式（６）で求められる。
Ｑ＝ε１・ε２・Ｓ・Ｖ／（ε１・ｄ２＋ε２・ｄ１）・・・・・・・・（６）
ゲート電極５近傍の電界Ｅｇ、カソード電極近傍の電界Ｅｃは、互いに積層された第１、第２絶縁体の誘電率（第１絶縁体の誘電率：ε１、第２絶縁体の誘電率：ε２）、導体の電荷密度σより、次式で求められる。
Ｅｃ＝σ／ε１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（７）
Ｅｇ＝σ／ε２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
また、電荷密度σは、次式により求められる。
σ＝Ｑ／Ｓ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（９）
式（６）、式（９）を式（７）、式（８）に代入することで、式（１０）、式（１１）が導ける。
Ｅｃ＝ε２・Ｖ／（ε１・ｄ２＋ε２・ｄ１）・・・・・・・・・・・・（１０）
Ｅｇ＝ε１・Ｖ／（ε１・ｄ２＋ε２・ｄ１）・・・・・・・・・・・・（１１）
ここで、第１、第２絶縁体の厚さｄ１、ｄ２、電極間電圧Ｖを固定し、
ε１＞ε２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１２）
の場合を考えれば、カソード電極近傍の電界Ｅｃはゲート電極近傍の電界Ｅｇより低くなることがわかる。
Ｅｃ＜Ｅｇ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１３）
電界Ｅは電位Ｖを距離で割った電位Ｖの傾きを意味するため、誘電率の異なる第１、第２絶縁体内の電界の大きさが式（１３）のように異なると、図２に示すように、第１絶縁体３の等電位面（等電位面の断面）を示す破線の間隔が第２絶縁体４の等電位面の間隔より広くなり、等電位面がゲート電極５側に集中する。
【００２６】
次に、電子放出源２の電子がゲート電極５の開口部５ａを通過するまでの経路である、ゲート電極５の開口部５ａ、第１絶縁体３の開口部３ａ及び第２絶縁体４の開口部４ａの部分の等電位面について説明する。
電子放出源２からゲート電極５の開口部５ａまではすべて真空であり、比誘電率はε０＝１で一定である。そのため、第１、第２絶縁体の誘電率の違いによる効果からくる、等電位面のゲート電極側への集中は生じない。
以上より、電子が通過する経路である、ゲート電極５、第１絶縁体３、第２絶縁体４の開口部分の等電位面は、その周囲の等電位面分布がゲート電極側にかたよる絶縁体の影響を受けて、図２に示すような等電位面が形成される。
【００２７】
ここで、等電位面を等高線と考えた場合、電子は山頂である電子放出源から転げ落ちる丸いボールのような進行経路をとる。そのため、従来の電子放出素子を示す図４、図５の構造では、図６に示すような経路で電子が進むため、電子放出源から放出された電子の多くがゲート電極で吸収されてしまうことがわかる。
これに対して、図１に示す実施の形態における電子放出素子では、放出される電子がゲート電極で吸収される量が軽減される構造であることがわかる。
また、ε１／ε２≦２となる第１絶縁体３、第２絶縁体４を備えることで、よりカソード電極近傍の等電位面を、電子がゲート電極５の開口部５ａを通過しやすい形状にすることができる。
【００２８】
（実施の形態２）
本発明にかかる電子放出素子の他の実施の形態について図３を参照して説明する。
この図３に示す電子放出素子１０において、図１と同一の構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、図１と異なる部分を重点に述べる。
この実施の形態２において、上記実施の形態１と異なる点は、図３から明らかのように、カソード電極１とゲート電極５との間に積層して介在される第１絶縁体３と第２絶縁体４を、図１に示すように、ゲート電極５の開口部５ａを除くカソード電極１とゲート電極５との間の全域に形成しているのに対して、ゲート電極５の開口部５ａの付近のみに形成したところにある。
このような構造の第１絶縁体３と第２絶縁体４を有する電子放出素子１０においても、上記実施の形態１と同様な効果が得られる。
【００２９】
次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
まず、カソード電極１として、低抵抗のｎ型単結晶シリコン（１００）基板を用意した。
次に、カソード電極１の表面に対し、マグネトロンスパッタリング法を用いて触媒として用いるコバルトを担持した。
この場合、組み立てたゲート電極５の開口部５ａの中央部分に該当する部位にのみコバルトを担持するように、メタルマスクを用いてコバルト担持部位のパターニングを行なった。
【００３０】
次に、表面にコバルト触媒が担持されたカソード電極１を、メタノール中に浸漬して電極を通して通電し、初期に６００℃で３分、続いて９００℃で６分の条件で基板を加熱し、基板近傍の固液界面接触分解反応を起こし、メタノール中の炭素原子を原料としてカーボンナノチューブを生成させた。
以上より、電子放出源２として、垂直配向したカーボンナノチューブをカソード電極１に生成した。
【００３１】
次に、比誘電率εｒが９．４の第１低温焼成セラミック、比誘電率εｒが５．２の第２低温焼成セラミックに対し、レーザを照射し電子通過用の開口部を形成した。
次に、開口部が形成された第２低温焼成セラミックに対し、片面に、Ａｇペーストをパターン印刷し、第１低温焼成セラミックと第２低温焼成セラミックを焼成した。なお、これら低温焼成セラミックの膜厚は、それぞれ５００μｍとした。
以上より、銀を用いたゲート電極５に、比誘電率εｒが５．２の低温焼成セラミックからなる第１絶縁体４が積層された部材と、比誘電率εｒ９．４の低温焼成セラミックからなる第２絶縁体３を形成した。
【００３２】
次に、カソード電極１と、第１絶縁体４が積層されたゲート電極５との間に上記第２絶縁体３を挟み込み固定することで、ゲート電極５とカソード電極１とを１０００μｍの距離を取った、本発明の電子放出素子を製造した（図１参照）。
【００３３】
（実施例２）
実施例１と同様に、本発明の電子放出素子を製造した。
ただし、第１絶縁体３、第１絶縁体４である低温焼成セラミックのゲート電極面方向の幅を５００μｍとした（図３参照）。
【００３４】
次に、参考例について説明する。
（参考例１）
実施例１と同様に、電子放出素子を製造した。
ただし、製造後、第１絶縁体３を剥離し、第２絶縁体４を設けない構成とした（図４参照）。
【００３５】
（参考例２）
実施例１と同様に、電子放出素子を製造した。
ただし、第１絶縁体３である低温焼成セラミックの膜厚は、１０００μｍとし、ゲート電極５とカソード電極１との間の距離である１０００μｍと同じとした（図５参照）。
【００３６】
次に、評価について説明する。
（評価１）
実施例１、２および参考例１、２の電子放出素子について、特性の評価を行った。
評価では、電子放出素子を、蛍光体を形成したアノード電極とともに、真空容器中に、カソード電極、ゲート電極、アノード電極の順に配置し、アノード電流量／カソード電流量を、５回測定し平均値を求めた。この評価結果を図７に示す。
図７より、カソード電極とゲート電極との間において誘電率に偏りが生じている実施例１、２は、カソード電極とゲート電極との間において誘電率に偏りがない参考例１、２と比べ、放出された電子がゲート電極に吸収されていないことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の電子放出素子は、強電界によって電子を放出する電界放射型の電子放出素子としての利用が期待され、具体的には、例えば、光プリンタ、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃、平面ディスプレイを構成するアレイ状のフィールドエミッタアレイの面電子源、照明ランプなどの用途としての電子放出素子として有用である。
特に、照明ランプとして用いる場合、（ａ）ディスプレイ用途：液晶バックライト，プロジェクタ光源，ＬＥＤディスプレイ光源、（ｂ）シグナル用途：交通信号灯，産業／業務用回転灯・信号灯，非常灯・誘導灯、（ｃ）センシング用途：赤外線センサ光源，産業用光センサ光源，光通信用光源、（ｄ）医療・画像処理用途：医療用光源（眼底カメラ・スリットランプ），医療用光源（内視鏡），画像処理用光源、（ｅ）光化学反応用途：硬化・乾燥／接着用光源，洗浄／表面改質用光源，水殺菌／空気殺菌用光源、（ｆ）自動車用光源：ヘッドランプ，リアコンビネーションランプ，内装ランプ、（ｇ）一般照明：オフィス照明，店舗照明，施設照明，舞台照明・演出照明，屋外照明，住宅照明，ディスプレイ照明（パチンコ機，自動販売機，冷凍・冷蔵ショーケース），機器・什器組込照明などの用途に応用が期待される。
【符号の説明】
【００３８】
１０…電子放出素子、１…カソード電極、２…電子放出源、３…第１絶縁体、３ａ…開口部、４…第２絶縁体、４ａ…開口部、５…ゲート電極、５ａ…開口部。
【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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