(57)【要約】【課題】熱的励起によらずに電子を電子放出材料から放出させる冷陰極構造を具備し、上記の高速正イオンによる電子放出材料の損傷を防止し、電子放出特性の劣化を防ぐことのできる電子放出装置及び、かかる電子放出装置を用いて長寿命化を実現できる電子放出型電子機器を提供することである。【解決手段】カソード電極１の表面に対向して距離Ｌ１を隔てて、電子引出し電極２が配置されている。カソード電極１及び電子引出し電極２には夫々、カソード貫通孔６、貫通孔７が穿設されている。ＣＮＴ含有炭素系粉材料からなる電子放出材料４がアノード電極３から見たときのカソード電極１の裏側の面にカソード貫通孔６に近接又は突き出て堆積形成されている。電子引出し電極２とカソード電極１により生じた電界によって電子放出材料４から電子をアノード電極３に向けて放出させる。【選択図】図１
2011071022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極に隣接したアノード電極との電極間に印加した電界によって、又は、前記カソード電極と前記アノード電極間に電子引出し電極を配置し、前記カソード電極に隣接した電子引出し電極との電極間に印加した電界によって、前記カソード電極に配置した電子放出材料から電子を放出させる電子放出装置において、
前記隣接したアノード電極又は前記隣接した電子引出し電極に対向する側の前記カソード電極の面（以下、カソード電極第１面という。）と前記隣接したアノード電極又は前記隣接した電子引出し電極に対向しない側の前記カソード電極の面（以下、カソード電極第２面という。）とを貫通するカソード貫通孔を前記カソード電極に１個または２個以上形成し、且つ前記カソード電極と前記アノード電極間に電子引出し電極を配置したときには、前記隣接した電子引出し電極を貫通する貫通孔を前記隣接した電子引出し電極に１個または２個以上形成し、前記カソード電極第２面の前記カソード貫通孔の周辺に前記電子放出材料を配置したことを特徴とする電子放出装置。
【請求項２】
前記カソード貫通孔が当該貫通孔の軸方向の途中に孔の断面が縮径された縮径部を有し、前記アノード電極又は前記電子引出し電極方向から見て前記カソード電極第２面に連設した、当該縮径部の壁面の前記カソード貫通孔周辺に前記電子放出材料を配置した請求項１に記載の電子放出装置。
【請求項３】
前記カソード電極第１面、前記カソード電極第２面及び前記カソード貫通孔の内壁面が導電性を有する請求項１又は２に記載の電子放出装置。
【請求項４】
前記電子放出材料の少なくとも一部が前記カソード貫通孔の内側に突出して、又は前記カソード貫通孔の縁近傍に配置された請求項１〜３のいずれかに記載の電子放出装置。
【請求項５】
前記引出し電極の前記貫通孔と前記カソード貫通孔との中心軸が一致又は略一致する請求項１〜４のいずれかに記載の電子放出装置。
【請求項６】
前記カソード電極第２面に対向する位置、又は隣接する位置に電気的に絶縁されて配置された背後電極を有する請求項１〜５のいずれかに記載の電子放出装置。
【請求項７】
前記カソード電極第２面と前記背後電極の前記カソード電極に対向する面との距離又は隣接最短距離が０．０５ミリメートルから１０ミリメートルの範囲である請求項６に記載の電子放出装置。
【請求項８】
前記電子放出材料が、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ダイヤモンド膜、ダイヤモンド微粒子，ダイヤモンドライクカーボン膜、カーボンナノウォール、グラフェン、炭素繊維、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属硫化物、金属炭化物のいずれか、又は、これらの材料の組み合わせである請求項１〜７のいずれかに記載の電子放出装置。
【請求項９】
前記電子放出材料の形状が、繊維状、針上、フレーク状、ウィスカー状、平坦膜状、ディンプル付き膜状、波目付き膜状、皺付き膜状、ギザギザ縁状のいずれか、又は、これらの組み合わせである請求項１〜８のいずれかに記載の電子放出装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の電子放出装置を備え、当該電子放出装置により放出された電子を駆動電子として機能するエミッション電子機能部を有することを特徴とする電子放出型電子機器。
【請求項１１】
前記エミッション電子機能部が、前記電子放出装置により放出された電子によって発光する発光面、当該電子を透過する透過面、当該電子によってＸ線を放出するＸ線放出面又は当該電子によってＸ線を放出すると同時にＸ線を透過するＸ線放出透過面のいずれかからなる請求項１０に記載の電子放出型電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱的励起によらずに電子を固体から放出させることができる電子放出装置及びそれを用いた電子放出型電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子放出装置は、例えば、特許文献１に記載されているように、熱電子放出により電子を取り出し、その電子は電界や磁界で制御されて様々な電子装置として使用されていた。特許文献１には、電子を放出するカソードと、カソードの前面に配置され、カソードに対して正の電位が供給されてカソードから電子を電界放出させるためのゲート電極と、放出された電子を直流高電圧によって加速して衝突させて焦点からＸ線を放出するアノードとから構成されるＸ線管が開示されている。
【０００３】
カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと略称する。）等の電界電子放出能を有する材料を用いた電子放出装置も提案されている。ＣＮＴに電界を印加することで電界放出機構によって電子を取り出す方法が特許文献２及び特許文献３などで提案されている。
【０００４】
ＣＮＴを用いた電子放出装置における電子放出を、例えば、特許文献２に開示された電子放出構造に基づいて説明する。
図５は特許文献２に開示された電子放出装置を真空中で実際に使用した場合の断面構造を示す。カソード電極３０上に絶縁基板３１を介して電子引出し電極３２が対向配置されている。絶縁基板３１及び電子引出し電極３２にはカソード電極３０の電極面を露出させる孔３３が穿設されている。孔３３の底部にはＣＮＴの電子放出材料３４が堆積されている。カソード電極３０に対して電子引出し電極３２に電子放出に必要な引出し電圧以上の正電位を与えることにより電子放出材料３４から電子が放出される。図５においては、電子放出の様子を電子軌跡３６として描いている。
【０００５】
上記電子放出装置においては、孔３３底部にＣＮＴが堆積された電子放出源を使用しているが、特許文献４には、コーン状のカソード形態からなる冷陰極構造を備えた、所謂スピント型の電子放出装置が開示されている。スピント型電子放出装置の場合、陰極の先はコーン状に尖っていてそれを取り囲むように電子引出し電極が配置されている。陰極と電子引出し電極の間に電圧を加えると、コーン先端から電子が放出される。カソードコーンの陰極材には通常、モリブデン等の融点の高い金属が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２４３３３１号公報
【特許文献２】特開２００３−４５３１５号公報
【特許文献３】特開２００４−７１５２７号公報
【特許文献４】特開平１０−２８９６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の直熱式のフィラメント等を使用した電子放出装置では、熱的励起による熱電子放出を行うため、小型化や低消費電力化が難しいといった問題があった。特許文献１には、直熱式のフィラメント等のカソードに替えて、電界放出型電子源にＣＮＴを用いることが開示されてはいるものの、これも電子放出を行う熱電子放出機構によるため、大電流の電子放出が難しく、また、電子を放出させるための加熱電力が余分に必要となる問題があった。
【０００８】
一方、特許文献２、３に示すような電界電子放出装置では、電子放出を行う真空空間に僅かながらも残留ガス分子があり、図5に示すように、その分子若しくは解離した原子が電子でイオン化されて正電荷を持ち、加速イオン３７となって負電位が印加されている電子放出材料３４に衝突する。電子放出材料３４にも多数の加速イオン３７が衝突して電子放出材料であるＣＮＴなどを崩壊したり破砕したりして、その崩壊物質・物体又は破砕物体・物質が飛散物３５として飛び散る。この飛散物３５は電子放出材料３４近傍の真空度を劣化させるため、望まない放電や放電破壊を誘発したり、飛散物３５が絶縁物に付着して絶縁破壊を起こしたりして電子放出装置を破壊してしまうおそれがあった。破壊に至らなくても加速イオン３７が電子放出材料３４に衝突することにより電子放出材料３４の電子放出効率を低下させるという課題も抱えていた。
【０００９】
更に、特許文献４のスピント型電子放出装置では、コーン状のカソード電極の上に絶縁膜を部分的に堆積し、その上に電子引出し電極を形成した構造の電子放出源を備えるが、この電子放出源も電子が飛び出す部分が電子引出し電極に向けて大きく露出しているため、上記の加速イオンの衝突によって、同様の破壊が生じる可能性が高く、電子放出している先鋭構造材料の先端部分が消失したり、鈍化したりして、電子放出効率が低下する問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、熱的励起によらずに電子を電子放出材料から放出させる冷陰極構造を具備し、上記の高速正イオンによる電子放出材料の損傷を防止し、電子放出特性の劣化を防ぐことのできる電子放出装置、及び、かかる電子放出装置を用いて長寿命化を実現できる電子放出型電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の形態は、カソード電極に隣接したアノード電極との電極間に印加した電界によって、前記カソード電極に配置した電子放出材料から電子を放出させる２極管構成の電子放出装置、又は、前記カソード電極と前記アノード電極間に電子引出し電極を配置し、前記カソード電極に隣接した電子引出し電極との電極間に印加した電界によって、前記カソード電極に配置した電子放出材料から電子を放出させる３極管構成の電子放出装置において、前記隣接したアノード電極又は前記隣接した電子引出し電極に対向する側の前記カソード電極の面（以下、カソード電極第１面という。）と前記隣接したアノード電極又は前記隣接した電子引出し電極に対向しない側の前記カソード電極の面（以下、カソード電極第２面という。）とを貫通するカソード貫通孔を前記カソード電極に１個または２個以上形成し、且つ前記カソード電極と前記アノード電極との間に電子引出し電極を配置したときには、前記隣接した電子引出し電極を貫通する貫通孔を前記隣接した電子引出し電極に１個または２個以上形成し、前記カソード電極第２面の前記カソード貫通孔の周辺に前記電子放出材料を配置した電子放出装置である。
【００１２】
本発明の第２の形態は、第１の形態において、前記カソード貫通孔が当該貫通孔の軸方向の途中に孔の断面が縮径された縮径部を有し、前記アノード電極又は前記電子引出し電極方向から見て前記カソード電極第２面に連設した、当該縮径部の壁面の前記貫通部周辺に前記電子放出材料を配置した電子放出装置である。
【００１３】
本発明の第３の形態は、第１又は第２の形態において、前記カソード電極第１面、前記カソード電極第２面及び前記カソード貫通孔の内壁面が導電性を有する電子放出装置である。
【００１４】
本発明の第４の形態は、第１、第２又は第３の形態において、前記電子放出材料の少なくとも一部が前記カソード貫通孔の内側に突出して、又は前記カソード貫通孔の縁近傍に配置された電子放出装置である。
【００１５】
本発明の第５の形態は、第１〜第４のいずれかの形態において、前記引出し電極の前記貫通孔と前記カソード貫通孔との中心軸が一致又は略一致する電子放出装置である。
【００１６】
本発明の第６の形態は、第１〜第５のいずれかの形態において、前記カソード電極第２面に対向する位置、又は隣接する位置に電気的に絶縁されて配置された背後電極を有する電子放出装置である。
【００１７】
本発明の第７の形態は、第１〜第６のいずれかの形態において、前記カソード電極第２面と前記背後電極の前記カソード電極に対向する面との距離又は隣接最短距離が０．０５ミリメートルから１０ミリメートルの範囲である電子放出装置である。
【００１８】
本発明の第８の形態は、第１〜第７のいずれかの形態において、前記電子放出材料が、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ダイヤモンド膜、ダイヤモンド微粒子，ダイヤモンドライクカーボン膜、カーボンナノウォール、グラフェン、炭素繊維、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属硫化物、金属炭化物のいずれか、又は、これらの材料の組み合わせである電子放出装置である。
【００１９】
本発明の第９の形態は、第１〜第８のいずれかの形態において、前記電子放出材料の形状が、繊維状、針状、フレーク状、ウィスカー状、平坦膜状、ディンプル付き膜状、波目付き膜状、皺付き膜状、ギザギザ縁状のいずれか、又は、これらの組み合わせである電子放出装置である。
【００２０】
本発明の第１０の形態は、第１〜第９のいずれかの形態に係る電子放出装置を備え、当該電子放出装置により放出された電子を駆動電子として機能するエミッション電子機能部を有する電子放出型電子機器である。
【００２１】
本発明の第１１の形態は、第１０の形態において、前記エミッション電子機能部が、前記電子放出装置により放出された電子によって発光する発光面、当該電子を透過する透過面、当該電子によってＸ線を放出するＸ線放出面又は当該電子によってＸ線を放出すると同時にＸ線を透過するＸ線放出透過面のいずれかからなる電子放出型電子機器である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の第１の形態によれば、２極管構成において前記カソード電極に隣接したアノード電極との電極間に印加した電界、又は３極管構成において前記カソード電極に隣接した前記電子引出し電極との電極間に印加した電界が、前記隣接したアノード電極又は前記隣接した電子引出し電極に対向しない側の前記カソード電極の面である前記カソード電極第２面側に前記カソード貫通孔を通じて分布する電界分布空間を形成する。
従って、前記カソード電極第２面の前記カソード貫通孔の周辺に設けた前記電子放出材料に対して、前記カソード電極第２面に到達した電界が作用して電子放出を行うことができる。このため、前記アノード電極方向から加速されて飛行してくる高速正イオンが前記電子放出材料に直射せず、前記高速正イオンによる電子放出材料の損傷を防止して電子放出特性の劣化を防ぎ、電子放出装置の長寿命化を図ることができる。
【００２３】
２極管構成の場合には、前記カソード電極第２面に到達した電界が作用して前記電子放出材料から放出された電子は前記アノード電極方向に射出される。一方、前記カソード電極と前記アノード電極間に電子引出し電極を配置した３極管構成にあっては、前記電子放出材料から放出された電子は前記隣接した電子引出し電極に設けた前記貫通孔を通過して前記アノード電極方向に射出される。
【００２４】
本発明は、熱的励起によらずに電子を電子放出材料から放出させる冷陰極構造を具備した電子放出装置に適用することができ、上記の２極管あるいは３極管構成の他に、集束電極を具備した４極管構成の電子放出装置、あるいは５極以上の多極管構成の電子放出装置にも適用することができる。
【００２５】
本発明における前記カソード貫通孔の形状は円形に限らず、楕円形や矩形、星型等でもよく、断面形状は限定されない。また、筒状断面のように断面形状が軸方向に一定である必要もない。特には、前記カソード貫通孔の断面を円形として面積換算した場合に、前記カソード第２面において円形換算直径が１μｍ〜５ｍｍ、好ましくは１０μｍ〜１ｍｍの範囲にあることが望ましい。
３極管構成における前記貫通孔は前記電子放出材料から放出された電子が円滑に通過できる形状、大きさを具備しておればよい。
前記電子放出材料は前記カソード貫通孔の周辺において、その一部が前記カソード電極第２面まで到達した電界に晒される位置に配置されればよく、前記カソード貫通孔の周りに密集配置しても、あるいは間隔を置いて部分的に配置してもよい。
【００２６】
本発明に係る前記カソード貫通孔及び前記貫通孔は物理的ないし化学的処理により形成することができる。特に、エッチング等の化学的処理により前記カソード貫通孔を形成する際に孔周辺に凹所が同時に形成されるが、当該貫通孔近傍に設けるには前記電子放出材料を該凹所内に配置するのが好ましい。
即ち、本発明の第２の形態によれば、例えば、化学的処理による貫通孔形成方法によって、貫通孔の軸方向の途中に孔の断面が縮径された縮径部を有したカソード貫通孔を形成した場合、前記縮径部には前記アノード電極又は前記電子引出し電極方向から見て前記カソード電極第２面に連設された壁面が形成されるので、前記壁面に前記電子放出材料を配置することにより、当該貫通孔近傍に前記電子放出材料を設けることができ、前記カソード貫通孔周辺が平坦ないし凹凸を有しない前記カソード電極第２面を使用する場合と同様に、前記カソード電極裏側の面に到達した電界を前記電子放出材料に作用させて電子放出を行うことができる。
【００２７】
本発明における前記カソード電極は全体を金属等の導電性基材のみで形成される電極形態に限らず、表層部分に導電性を具備させた電極形態であってもよい。即ち、本発明の第３の形態によれば、例えば、前記カソード電極をセラミックス材料等の絶縁基材に導電性膜を被着して形成することにより、前記カソード電極第１面、前記カソード電極第２面及び前記カソード貫通孔の内壁面に導電性を具備させることができ、金属基材による場合と比較して軽量化及びコストダウンを図ることができる。
【００２８】
本発明の第４の形態によれば、前記電子放出材料の少なくとも一部が前記カソード貫通孔の内側に突出して、又は前記カソード貫通孔の縁近傍に配置することにより、高速正イオンの直射による損傷を受けずに、前記カソード電極第２面に到達した電界を前記電子放出材料に作用させて電子放出を行うことができる。従って、前記カソード貫通孔周辺への前記電子放出材料の配置形態は、必ずしも先鋭な材料端が前記カソード貫通孔内に突出している形態に限らず、前記電界作用を受ける位置で孔の淵近傍に配置されているだけでもよい。具体的に示せば、前記電子放出材料の前記カソード貫通孔への飛び出し量は、当該貫通孔の孔淵を原点とし、内径方向を正としたとき、０〜５００μｍが好ましいが、０〜−１００μｍでも可能である。
【００２９】
本発明の第５の形態によれば、３極管構成において、前記引出し電極の前記貫通孔と前記カソード貫通孔との中心軸が一致又は略一致するので、前記引出し電極が障壁となることなく、前記電子放出材料から放出された電子を、前記貫通孔を通過させて前記アノード電極方向に円滑に射出させることができる。
【００３０】
本発明の第６の形態によれば、前記カソード電極第２面に対向する位置又は隣接する位置に電気的に絶縁されて配置された背後電極を有するので、前記背後電極の電位を前記カソード電極の電位に対して相対的に設定することにより、電子放出特性の向上を図ることができる。例えば、前記カソード電極に対して、前記背後電極に負電位を印加したとき、正イオンを前記背後電極に捕獲させることができ、前記電子放出材料の該イオンによる劣化を一層抑制することができる。
【００３１】
逆に、前記カソード電極に対して、前記背後電極に正電位を印加したときには、前記カソード貫通孔近傍の等電位面が前記カソード電極第２面にまでより回り込んだ状態になる。これにより、前記電子放出材料から放出される電子を、曲がった等電位面、言い換えれば、レンズ状の電界に沿って、より効率的に前記アノード電極方向に飛行させることができる。一方、前記アノード電極方面から飛んでくる正イオンは質量が大きいため、あまり曲がらずに飛行し、前記カソード貫通孔を通り抜けてほぼ直進し、そのまま前記背後電極に吸収させることができ、より良好な電子放出特性を得ることができる。
【００３２】
本発明の第７の形態によれば、前記カソード電極第２面と前記背後電極の前記カソード電極に対向する面との距離、又は前記カソード電極第２面に隣接する位置に配置したときの隣接最短距離が０．０５ミリメートルから１０ミリメートルの範囲であるので、前記背後電極の電位の設定を前記カソード電極の電位に対して適切に行うことができる。
なお、前記背後電極に一つまたは複数の孔を形成して、正イオンを通過させるようにしてもよい。
【００３３】
本発明の第８の形態によれば、前記電子放出材料が、ＣＮＴの他、ダイヤモンド膜、ダイヤモンド微粒子，ダイヤモンドライクカーボン膜、カーボンナノウォール、グラフェン、炭素繊維、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属硫化物、金属炭化物のいずれか、又は、これらの材料の組み合わせを使用するので、効率的に電子放出を行える電子放出特性を得ることができる。
【００３４】
本発明の第９の形態によれば、繊維状、針状、フレーク状、ウィスカー状、平坦膜状、ディンプル付き膜状、波目付き膜状、皺付き膜状、ギザギザ縁状のいずれか、又は、これらの組み合わせである形状の前記電子放出材料を使用して、効率的に電子放出を行える電子放出特性を得ることができる。
【００３５】
本発明の第１０の形態によれば、第１〜第９のいずれかの形態に係る前記電子放出装置により放出された電子を駆動電子として機能するエミッション電子機能部を有するので、上記の高速正イオンによる電子放出材料の損傷を防止し、電子放出特性の劣化を防ぐことのできる電子放出装置を用いて電子放出型電子機器の長寿命化ないし性能の向上を実現することできる。
前記エミッション電子機能部による機能には、例えば、ターゲット物質等に対するエミッション電子の照射、衝突、付着、電荷交換、イオン化等による直接的作用だけでなく、ターゲット物質近傍のエミッション電子の通過や周辺への放散等の間接的作用を及ぼす機能が含まれる。
なお、本発明に係る電子放出装置は、１０−３Ｐａ以下（１０−３Ｐａ〜１０−１０Ｐａ）の高真空度に気密パッケージ封止して使用されるのが好ましいが、電子放出型電子機器への応用例として、例えば、パッケージ内にガスを封入しておき、放出電子によって封入ガスをイオン化させる機能、真空装置に直接取り付け、真空装置内に電子を供給したり、真空中の残存ガスや固体・液体物質をイオン化させたりする機能、あるいは電子を大気中（あるいは装置の真空圧力より高い圧力中）へ隔壁を通過させて引き出して、大気中（あるいは装置の真空圧力より高い圧力中）のガスや液体・固体物質をイオン化する機能を具備した電子放出型電子機器を実現することができる。
【００３６】
本発明の第１１の形態によれば、前記エミッション電子機能部が、前記電子放出装置により放出された電子によって発光する発光面、当該電子を透過する透過面、当該電子によってＸ線を放出するＸ線放出面又は当該電子によってＸ線を放出すると同時にＸ線を透過するＸ線放出透過面のいずれかからなる電子放出型電子機器の発光寿命の長期化を実現することできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例である電子放出装置の断面構造図である。
【図２】図１の電子放出装置における電子放出材料４の配置を示すカソード電極断面図である。
【図３】本発明における別のカソード貫通孔を示すカソード電極断面図である。
【図４】本発明の別の実施例である電子放出装置の断面構造図である。
【図５】従来の電子放出装置の断面構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の実施形態に係る電子放出装置を、図面を参照して以下に説明する。
＜実施例１＞
図１は本発明の一実施例である３極管構成の電子放出装置の断面構造図である。
実施例１は、アノード電極３とカソード電極１の間に電子引出し電極２を配置し、カソード電極１に隣接した電子引出し電極２との電極間に生じた電界によってカソード電極１側に配置した電子放出材料４から電子を放出させる３極管型電子放出装置である。電子引出し電極２はカソード電極１の表面（後述のカソード電極第１面１１）に対向して距離Ｌ１を隔てて配置されている。アノード電極３は電子引出し電極２の上方に距離Ｌ２を隔てて配置されている。アノード電極３カソード電極１及び電子引出し電極２には、夫々、カソード貫通孔６、貫通孔７が穿設されている。一点鎖線で示した、各貫通孔の中心線はアノード電極３に至る。電子放出材料４はＣＮＴ含有炭素系粉材料からなる。カソード電極１の裏側には背後電極５が対向配置されている。なお、図示しないが、電子放出装置全体は真空封止技術により真空パッケージングされている。真空度は好ましくは１０−５Ｐａ以下の高真空から１０−１０Ｐａ程度の極高真空である。
【００３９】
カソード電極１及び電子引出し電極２はニッケル、銅、ステンレス等の導電性の材料からなる。アノード電極３はその用途に応じて様々な材料や構造のものが用いられる。例えば、電子線を受け止めるコレクタ（アノード電極）としては、一般的にニッケル、銅、ステンレス等の金属、透明導電膜を塗布したガラス、シリコン、ゲルマニウム等の半導体などの導電性の材料を用いる。また、受け止めた電子線のエネルギーによって発生する特性Ｘ線を利用する場合には利用するＸ線のエネルギーに応じてモリブデンやタングステンや銅等を用いる。特に、透過型Ｘ線源と呼ばれるタイプのものではモリブデンやタングステンや銅等をベリリウムなどの薄層基板の上にスパッタ法などで薄膜堆積したものを使用する。アノード電極を薄くすることで電子線の一部がアノード電極を透過させることができる。このことを利用して、透過した電子線をそのまま対象材料に照射させることでその対象材料の表面改質処理や表面加工をする使い方もある。
なお、本発明におけるカソード電極は全体を金属等の導電性基材のみで形成される電極形態に限らず、表層部分に導電性を具備させた電極形態であってもよい。例えば、カソード電極をガラスやセラミックス材料等の絶縁基材に導電性膜を被着して形成することにより、カソード電極第１面１１、カソード電極第２面１２及びカソード貫通孔６の内壁面に導電性を具備させることができ、金属基材による場合と比較して軽量化及びコストダウンを図ることができる。
【００４０】
この電子放出構造の特徴をさらに詳しく説明する。
カソード貫通孔６は、カソード電極１に隣接した電子引出し電極２に対向する側のカソード電極面（カソード電極第１面１１）と前記隣接した電子引出し電極に対向しない側のカソード電極面（カソード電極第２面１２）とを貫通している。電子引出し電極２の貫通孔７はカソード貫通孔６の中心軸と一致するように配設されている。電子放出材料４はアノード電極３から見たカソード電極１の裏側の面である前記カソード電極第２面１２に堆積形成されている。
【００４１】
電子放出材料４はＣＮＴのうちシングルウォールカーボンナノチューブを含有した炭素粉材料である。シングルウォールカーボンナノチューブは直径がサブナノメートルから数ナノメートルの筒状の物質であり、この電子放出材料全体としては導電性の炭素材料の表面からシングルウォールカーボンナノチューブがところどころ数ミクロンから数十ミクロンの長さで飛び出している（せり出している）状態である。図１に示すように、カソード電極１の裏側の面（カソード電極第２面１２）において電子放出材料４をカソード貫通孔６の淵部分に堆積させてある。この堆積状態をさらに細かく説明すると、炭素粉材料４はカソード貫通孔６の孔内側面に付着することなく、カソード電極第２面にのみ付着しており、該淵部分からカソード貫通孔６の内径方向に向けてシングルウォールカーボンナノチューブが突き出した状態（せり出した状態）になっている。この突き出し状態でシングルウォールカーボンナノチューブの先端部分に高い電界が集中し、電界電子放出機構によって電子が放出される。
【００４２】
図１における複数の細い実線は各電極の間の空間に生じる等電位面を描いたものである。アノード電極３は電子引出し電極２から６０ミリメートル（Ｌ２）離れた位置にあり、＋３０ｋＶが印加されている。電子引出し電極２は厚みが０．１ミリメートルのニッケル板であり、貫通孔７は直径０．５ミリメートルの円形（孔全体で円柱形）である。この電極には＋１ｋＶが印加されている。カソード電極１は電子引出し電極２と同じ形状であり、電子引出し電極２との対向面間の距離は０．５ミリメートル（Ｌ１）である。カソード電極１には０Ｖが印加されている。背後電極５は厚み1ミリメートルのニッケル製の板からなり、カソード電極１との距離Ｌ３は２ミリメートルである。背後電極５には０Ｖが印加されている。
【００４３】
上記電極配置構成において、等電位面は各電極間の電界が強いところでは線の間隔が密になり、電界が弱いところでは疎になっている。電子やイオンはこの等電位面の直交する方向に向けて加速する。マイナス電荷を持つ電子はマイナス電位からプラス電位の方向に向けて進み、プラスの電荷を持つ正イオンは反対にプラス電位からマイナス電位の方向に向けて進む。電子は質量が小さいために急激に変化した等電位面の分布にも沿う形で方向を変えながら進む性質を持つ。また、同じ電子であっても速度が遅い状態では等電位面の変化に応じて忠実に方向を変えるが速度が速い場合には等電位面の変化に応じずに直進する挙動をとる。一方、正イオンは電子と比べて質量が大きいため、等電位面の変化に応じずに直進する傾向がある。
【００４４】
上記の電子あるいは正イオンの挙動を図１に模式的に示している。電子放出材料４から電界放出された電子の電子軌跡８は図示の急峻なカーブを描く。放出された直後で速度が遅い状態の電子が急激に曲がった等電位面の領域を通過するために、このような急峻なカーブを描くことになる。一方、アノード電極３やアノード電極３と電子引出し電極２との間の空間で発生した正イオンはこの空間で十分に加速されて加速イオン９としてカソード貫通孔６、貫通孔７の領域に突入してくる。加速イオン９は等電位面の変化に応じずに直進するので、イオン軌跡１０として示すように、カソード貫通孔６の領域をほぼ直進して背後電極５に衝突する。
【００４５】
ここで、図１の電極構造において電子が電界放出されて電子軌跡８の通りにアノード電極３に向かうことについて詳しく説明する。図１の等電位面を見るとカソード電極１と電子引出し電極２との間の等電位面が、カソード電極１のカソード貫通孔６の領域ではカソード電極１に沿って膨らんでいる。これはカソード電極１と背後電極５との間の電位差がないためである。その結果、電子放出材料４の部分では電子を外部に引き出す方向に電界がかかることになる。電子放出材料４の表面から突き出したシングルウォールカーボンナノチューブの周辺ではその先鋭な構造によって電界集中が生じてより強い電界となり、電子が実際に放出することになる。このとき、電子放出材料４がカソード貫通孔６の方向に向けて突き出していると電子放出がしやすくなる。従って、電子放出材料４が加速した正イオンによって受ける損傷が大幅に低減される。殊に、加速正イオンの進行方向に対してシングルウォールカーボンナノチューブが横向きに伸びて配置することにより、正イオンから見た面積という観点ではシングルウォールカーボンナノチューブの面積は非常に小さくなるため、衝突の確率を非常に小さくすることができる。しかも、シングルウォールカーボンナノチューブ自身がしなやかな構造を有するため、イオンが衝突してもしなやかに変形して損傷を小さく抑える効果も奏する。特に、正イオンが電子放出材料のどこにも衝突しないで通過するので、実施例１の電子放出装置は衝突により発生する２次粒子や静電気などによる二次被害が全く発生しない構造上の利点を有する。
【００４６】
実施例１は、電子放出材料としてシングルウォールカーボンナノチューブを含有した炭素材料を用いた場合であるが、シングルウォールカーボンナノチューブに限らずダブルウォールカーボンナノチューブなどマルチウォールカーボンナノチューブを含有した材料を使用しても同様な動作が可能である。また、カーボンナノコイルやカーボンナノツイストなどの螺旋形状を呈した、所謂ヘリカルカーボンナノファイバや、カーボンファイバ、カーボンナノファイバ、カーボンマイクロコイルなどの繊維状の所謂炭素繊維なども利用可能である。
【００４７】
電子放出材料４の形状としては、必ずしも先鋭な構造が突き出している必要はなく、電子放出材料４がカソード電極第２面１２にてカソード貫通孔６の淵近傍に配置されていることだけでも同様の効果を奏する。つまり、電子放出材料４の飛び出し（せり出し）量は、カソード電極１の孔淵を原点とし，内径方向を正とすれば、０〜５００μｍぐらいが好ましいが、０〜−１００μｍでも可能である。
電子放出材料としては、ＣＮＴの他、ダイヤモンド膜、ダイヤモンド微粒子，ダイヤモンドライクカーボン膜，カーボンナノウォール，グラフェン、カーボンファイバ（炭素繊維）、などの炭素系材料の他、金属酸化物，金属窒化物，金属等で仕事関数が低いことや先鋭な形状などの性質を備えた材料を電子放出材料として単独でカソード電極背面に配置したり、２つ以上の材料を組み合わせて配置したりすることができる。例えば、ＣＮＴの表面や近傍に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇＺｎＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化銀（Ａｇ２Ｏ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化モリブデン（ＭｏＯ２）などの酸化物、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）などのフッ化物、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化ルビジウム（ＲｂＣｌ）などの塩化物、臭化ナトリウム（ＢｒＮａ）などの臭化物、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化カリウム（ＫＩ）などのヨウ化物、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの半導体、ＧａＰのようなIII属とＶ属の化合物半導体アルカリ金属、アルカリアンチモンなどのアルカリ金属などを配置し、電子放出能力を高めてもよい。
【００４８】
図２は実施例１のカソード貫通孔６の断面形状を示す。カソード貫通孔６は円筒形の孔に対応した断面構造となっている。貫通孔を円筒形状に厳密に穿設するには、微細加工上の困難を伴う場合がある。
図３は本発明におけるカソード貫通孔の別の実施例を示す。図３において、図１及び２と同様の部材については同じ符号を付している。図３のカソード貫通孔部分は孔が端面で広がっていて孔奥方向で縮まっている構造となっている。カソード電極１を製造する工程において金属板の表裏面の両方に同じ大きさの穴の開いたエッチングマスクを被せてエッチング溶液に浸けることにより、図３に示すように、周辺がボトルネック状のカソード貫通孔１３を造形することができる。カソード貫通孔１３は当該貫通孔の軸方向の途中に孔の断面が縮径された縮径（ボトルネック）部を有し、当該縮径部において凹状に開口した部分の壁面１４はアノード電極３又は電子引出し電極２方向から見てカソード電極第２面１２に連設している。
【００４９】
このボトルネック状のカソード貫通孔１３を用いた場合には、電子放出材料４を当該縮径部の壁面１４のカソード貫通孔１３周辺に堆積形成して配置すればよい。電子放出材料４は壁面１４内だけでなく、カソード電極１の平坦な裏側の面に跨って形成してもよい。上記の通り、図３の配置構成においては、カソード電極をエッチングする工程において実際の出来上がりがひさしの構造になっていることを利用して、アノード電極３方向からの正の加速イオンから隠れた位置で且つ電界電子放出が効果的に行われる位置に電子放出材料４を配置した構造となっている。ここで孔の中腹で軸方向にせり出している部分はちょうどボトルネックになっており、この部分の孔の直径は０．４ミリメートルである。電極面の部分での孔の直径は０．５ミリメートルである。なお、アノード電極３方向から見て、カソード電極１の貫通孔１３の箇所においてひさしの陰となる面（ひさしの裏となる面）は、カソード電極１の裏側の面の一部、つまりカソード電極第２面１２とみなすことができるのは言うまでもない。
【００５０】
カソード電極第２面１２に対向する位置に電気的に絶縁されて配置された背後電極５のより効果的な使用例を以下に説明する。背後電極５の電位をカソード電極１と同じにして使用した場合には、カソード貫通孔６を通過した正イオンを衝突、回収させる役目として働くにすぎないが、背後電極５を種々の電位に設定することにより種々の応用が可能になる。背後電極としては、カソード電極第２面１２に対向する位置に必ずしも配設されてなくてもよく、カソード電極第２面１２に対し電位が付与し得る位置で近接ないし隣接して配置するようにしてもよい。
【００５１】
背後電極５にカソード電極１（０Ｖ）よりも例えば１００Ｖ低い電位（−１００Ｖ）を印加して使用する例について説明する。例えば、電子放出の環境真空度が低い場合や電子が照射されるアノード電極３に揮発性の物質が塗布されている場合には正イオンが多く発生して加速しながらカソード電極１の方に向かってくる。この場合には、背後電極５に−１００Ｖを印加すると、背後電極５は正イオンをより多く捕獲することができるので、背後電極５にカソード電極１よりもマイナスの電位を与えることにより電子放出材料４のイオンによる劣化をより抑制することが可能になる。
【００５２】
上記の使用例とは反対に背後電極５にカソード電極１よりもプラスの電位を与える使い方について説明する。背後電極５にプラス１００Ｖを与えると、カソード電極１の裏側の面に塗布されている電子放出材料４に、より高い電界を与えることができる。これは背後電極５にプラスの電位を与えることにより、カソード貫通孔６近傍の等電位面がよりカソード電極裏側面にまで回り込んだ状態になることに起因する。従って、同裏側の面に塗布された電子放出材料４から放出される電子が曲がった等電位面、言い換えれば、レンズ状の電界に沿って、より効率的にアノード電極３方向に飛行させることができる。一方，アノード電極３方面から飛んでくる正イオンは質量が大きいため、あまり曲がらずに飛行し、カソード電極１のカソード貫通孔６を通り抜けてほぼ直進し、そのまま背後電極５に吸収させることができ、電子放出機能を向上させることができる。
【００５３】
実施例１はカソード電極１とアノード電極３の間に電子引出し電極２を介在させた３極管構成を備えた電子放出装置であるが、本発明は電子引出し電極を用いない２極管構成の電子放出装置に適用することができる。
図４は２極管型電子放出装置の実施例２を示す。
＜実施例２＞
実施例２は、アノード電極２１に隣接したカソード電極２０との電極間に生じた電界によってカソード電極２０側に配置した電子放出材料２２から電子を放出させる２極管型電子放出装置である。実施例２においても、カソード貫通孔２３がカソード電極２０に隣接したアノード電極２１に対向する側のカソード電極面（カソード電極第１面２８）と前記隣接したアノード電極２１に対向しない側のカソード電極面（カソード電極第２面２９）とを貫通している。一点鎖線で示した、貫通孔２３の中心線はアノード電極２１に至る。電子放出材料２２はアノード電極２１ら見たカソード電極２０の裏側の面である前記カソード電極第２面２９に堆積形成されている。アノード電極２１はカソード電極第１面２８に対向して距離を隔てて配置されている。カソード電極２０及びアノード電極２１の材料、厚さは実施例１と同様である。カソード電極２０裏側には、背後電極５と同様の背後電極２４をカソード電極第２面２９に対して対向配置している。
【００５４】
実施例２においても、実施例１の３極管構成と同様に、アノード電極２１とカソード電極２０により生じた電界がカソード貫通孔２３を通じてカソード電極第２面２９、つまりアノード電極２１から見たときのカソード電極２０裏側の面側に分布する電界分布空間を形成する。この電界分布空間による等電位面を図１と同様に実線で図４に示す。カソード電極２０裏側の面に設けた電子放出材料２２に対して、カソード貫通孔２３を通じてカソード電極第２面２９に到達した電界が作用して電子放出を行うことができる。電子放出材料２２から電界放出された電子の電子軌跡２５は実施例１と同様に図示の急峻なカーブを描く。カソード貫通孔２３を通過した正イオンは直進方向２６に沿って背後電極２４に衝突する。
従って、実施例２の２極管構成においても、実施例１と同様に、アノード電極２１方向から加速されて飛行してくる高速正イオン２７が電子放出材料２２に直射せず、高速正イオン２７による電子放出材料２２の損傷を防止して電子放出特性の劣化を防ぎ、長寿命化を実現することができる。
【００５５】
実施例１及び２は、カソード貫通孔６、貫通孔７、カソード貫通孔２３を１個形成した場合であるが、夫々の貫通孔を複数個設けてもよい。殊に、実施例１においては、引出し電極２の貫通孔７とカソード貫通孔６は必ずしも同形及び重畳配置の関係になくてもよく、少なくとも引出し電極２が障壁にならずにエミッション電子が貫通孔７を通過可能であれば、貫通孔７とカソード貫通孔６の中心軸が略一致する配置関係や孔形状にすることができる。
【００５６】
本発明に係る電子放出装置は冷陰極電子源として利用できる他、電子放出装置により放出された電子を駆動電子として機能するエミッション電子機能部を有する電子放出型電子機器に好適な駆動電子源として応用することができる。前記エミッション電子機能部による機能には、例えば、ターゲット物質等に対するエミッション電子の照射、衝突、付着、電荷交換、イオン化等による直接的作用だけでなく、ターゲット物質近傍のエミッション電子の通過や周辺への放散等の間接的作用を及ぼす機能が含まれる。電子放出型電子機器の具体例としては、前記エミッション電子機能部が電子放出装置により放出された電子によって発光する発光面からなる発光装置ないしディスプレイ装置、前記エミッション電子機能部が当該電子を透過する透過面を有した電子透過処理装置、当該電子によってＸ線を放出するＸ線放出面を有したＸ線照射装置又は当該電子によってＸ線を放出すると同時にＸ線を透過するＸ線放出透過面を有したＸ線処理装置である。本発明に係る電子放出装置を用いることにより、高速正イオンによる電子放出材料の損傷を防止して、電子放出特性の劣化を防ぐことができ、電子放出型電子機器の長寿命化ないし性能の向上を実現することできる。電子透過処理装置は表面処理（表面クリーニング、表面加工など）の用途やイオン発生装置などとして、大気中をはじめ高圧や低真空でも利用できる。または、透過後の環境に存在する気体・液体・固体物質のイオン化も可能である。
なお、本発明に係る電子放出装置は、１０−３Ｐａ以下の高真空度に気密パッケージ封止して使用されるのが好ましいが、電子放出型電子機器への応用例として、例えば、パッケージ内にガスを封入しておき、放出電子によってガスをイオン化させる場合あるいは電子を大気中（あるいは真空より高い圧力中）へ隔壁を通過させて引き出して封入ガスをイオン化する機能を具備した電子放出型電子機器を実現することができる。
【００５７】
本発明は、上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の電子放出装置は、電子放出素子として、長期的な劣化が少なく、電子放出が長期間安定して得られる必要のある用途で広く利用することができる。特に、最近、電子放出装置は、エフ・イー・エル（ＦＥＬ：Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｌｉｇｈｔ）と呼ばれる電子で蛍光体を直接発光させるタイプの照明としての応用が期待されているが、その最も重要な開発課題が寿命であり、本発明の電子放出装置を用いることにより長寿命化を達成でき、エフ・イー・エルの実用化が可能となる。電子放出装置の利用品としては、Ｘ線管や電子線照射管があるが、そのいずれにおいてもこの発明は管としての寿命を改善することになるので商品としての価値を一層高めることとなる。
【符号の説明】
【００５９】
１      カソード電極
２      電子引出し電極
３      アノード電極
４      電子放出材料
５      背後電極
６      カソード貫通孔
７      貫通孔
８      電子軌跡
９      加速イオン
１０      イオン軌跡
１１      カソード電極第１面
１２      カソード電極第２面
１３      カソード貫通孔
１４      壁面
２０      カソード電極
２１      アノード電極
２２      電子放出材料
２３      カソード貫通孔
２４      背後電極
２５      電子軌跡
２６      直進方向
２７      高速正イオン
２８      カソード電極第１面
２９      カソード電極第２面
３０      カソード電極
３１      絶縁基板
３２      電子引出し電極
３３      孔
３４      電子放出材料
３５      飛散物
３６      電子軌跡
３７      加速イオン
【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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