(57)【要約】【課題】電子放出素子１００において、電子の放出強度が局所的に強くなるのを抑えることができ、これにより局所的な電子の放出に伴う局所的な加熱による電極の破壊を抑制することができ、引いては素子の長寿命化を図る。【解決手段】第１電極１０１と、第１電極１０１上に形成され、絶縁性微粒子１０３ａを含む電子加速層１０３と、電子加速層１０３上に形成された第２電極１０２とを備え、第１電極１０１と第２電極１０２との間への電圧の印加により電子加速層１０３で加速した電子を第２電極１０２の表面側から外部に放出する電子放出素子１０１において、第２電極１０２を、金属材料からなる導電膜１１１と、導電膜１１１と電子加速層１０３との間に形成されたＤＬＣ膜１１０との積層構造とした。【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、
該第１電極上に形成され、少なくとも絶縁性微粒子を含む電子加速層であって、該電子加速層内で電子を加速するための電子加速層と、
該電子加速層上に形成された第２電極であって、ダイヤモンドの結晶構造とグラファイトの結晶構造とが混在した非晶質炭素膜を含む、第２電極と
を備え、
該第１電極と該第２電極との間への電圧の印加により該電子加速層で加速された電子が該第２電極の表面側から外部に放出する、電子放出素子。
【請求項２】
前記第１電極と前記電子加速層との間に形成され、前記第２電極の表面上での前記電子の放出を均一化するための絶縁膜を備え、
該絶縁膜は、該絶縁膜の膜厚方向に延びる複数の貫通孔を有する、請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記複数の貫通孔は、行列状に配列されている、請求項２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記第２電極は、前記非晶質炭素膜の仕事関数より小さい仕事関数を有する導電膜を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記電子加速層は、前記絶縁性微粒子の粒径よりも小さい粒径を有する複数の導電性微粒子を含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子に関し、特に、電子を加速するための電子加速層を備え、この電子加速層で電子を加速することにより電子放出素子の表面から電子を放出する電子放出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子放出素子として、スピント（Ｓｐｉｎｔ）型電極、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）型電極等を用いた電子放出素子が知られている。これらの電子放出素子（以下、単に素子ともいう。）は、例えば、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）の分野への応用が検討されており、これらの電子放出素子では、尖鋭形状部、つまりスピント型電極やナノチューブ型電極の先端部に電圧を印加してその近傍に約１ＧＶ／ｍの強電界を形成し、トンネル効果により尖鋭形状部から電子を放出することができる。なお、ＦＥＤは、２次元マトリクス状に配置した電子放出源から放出された電子を、対向電極に形成された蛍光体からなる発光部に衝突させて発光させる平面ディスプレイである。
【０００３】
しかしながら、これら２つのタイプの電子放出素子では、尖鋭形状部（つまり電子放出部）の表面近傍に強電界が生じるため、放出された電子は、電界により大きなエネルギーを得て、空気を構成する気体の分子（以下、空気の分子ともいう。）を容易に電離する。このような気体分子の電離により生じた陽イオンは、強電界により素子の表面に向けて加速されて素子に衝突し、その結果スパッタリングによる素子の破壊が生じるという問題がある。
【０００４】
また、大気中の酸素は電離エネルギーよりも解離エネルギーの方が低いため、イオンの発生よりも先にオゾンが発生する。オゾンは人体に有害である上、その強い酸化力により様々なものを酸化することから、素子の周囲部材にダメージを与えるという問題がある。このため、周辺部材には耐オゾン性の高い材料を用いなければならないという制約が生じている。
【０００５】
このような背景から、上述したように電子放出部の表面近傍で強電界が生じるタイプとは別のタイプの電子放出素子として、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｍｅｔａｌ）型とＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の電子放出素子が開発されている。これらは、素子内部で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。
【０００６】
これらの面放出型の電子放出素子は、素子の内部に形成された電子加速層で加速した電子を素子の表面から放出するため、素子の外部に強電界が生ずることはない。したがって、ＭＩＭ型およびＭＩＳ型の電子放出素子は、上述したスピント型やＣＮＴ型の電子放出素子のように気体分子の電離によるスパッタリングで素子が破壊されるという問題やオゾンが発生するという問題を克服できる。
【０００７】
しかし、ＭＩＭ型およびＭＩＳ型の電子放出素子は、絶縁膜である電子加速層で一般にピンホールや絶縁破壊等が生じやすい。そのため、これらの電子放出素子では、電子加速層に微粒子を有する絶縁膜を用いることにより、ピンホールや絶縁破壊等の発生を防止することが知られている。
【０００８】
例えば、特許文献１には、相対向する２枚の電極の間に微粒子を含む絶縁体（電子加速層）を設けたＭＩＭ型の電子放出素子が開示されている。
【０００９】
図１４は、特許文献１に開示のＭＩＭ型の電子放出素子を説明する図である。
【００１０】
このＭＩＭ型の電子放出素子４０は、ガラス、セラミックなどの絶縁基板４１と、絶縁基板４１上に形成された金属材料からなる電圧印加用電極４２と、電圧印加用電極４２上に形成された、微粒子４３ａを含む絶縁体膜４３と、絶縁体膜４３上に形成された金属材料からなる電極４４とを有している。ここで、微粒子４３ａはＡｕ微粒子である。
【００１１】
このようなＭＩＭ型の電子放出素子４０では、電極４２と電極４４との間に電極４４が正極になるように電圧を印加すると、電極４２を構成する金属材料から電子が絶縁体膜４３中に注入され、注入された電子ｅが絶縁体膜４３で加速されて、電極４４の表面から放出される。
【００１２】
また、特許文献２には、平面ディスプレイを構成する電子放出素子が開示されている。
【００１３】
図１５は、特許文献２に開示の電子放出素子を説明する図であり、図１５（ａ）は平面ディスプレイの断面構造を示し、図１５（ｂ）は図１５（ａ）に示す電子放出素子の一部を拡大して示している。
【００１４】
ここで、電子放出素子５０は、基板５１と、基板上に炭素系電子放出材料（例えば、カーボンナノチューブ）で構成されたストライプ状の電子放出部５２と、電子放出部５２よりも厚く基板５１上に形成された絶縁膜５４と、電子放出部５２と対向するよう絶縁膜５４上に支持され、電子放出部５２から電子を引き出すための電子引き出し電極５３とを備えている。ここで、電子引き出し電極５３は、複数の開口部５３ａによりストライプ状に形成されており、ストライプ状の電子放出部５２とストライプ状の電子引き出し電極５３とが交差する領域が１つの表示ドットとなっている。絶縁膜５４は、図１５（ｂ）に示すように、絶縁粒子からなる粉体層５４ａと、この粉体層５４ａを覆うように形成された酸化物絶縁体からなる固定層５４ｂとから構成されており、これにより、絶縁膜５４と電子引き出し電極５３との熱膨張係数の違いにより電子引出し電極５３の反りが生ずるのを抑制している。
【００１５】
また、電子引き出し電極５３の上方には、透明な前面ガラス基板５５が基板５１に対向するように配置されている。この前面ガラス基板５５と基板５１とは、所定の距離離して配置されており、この前面ガラス基板５５と基板５１との間は真空排気されて所定の真空度とされている。そして、前面ガラス基板５５の内側に、蛍光体からなる発光部６０が形成され、その表面にはアルミニウム膜を蒸着することで形成されたメタルバック膜６１が形成されている。
【００１６】
この平面ディスプレイでは、まず、電子放出部５２に対して電子引き出し電極５３が高い電位となるように電圧を印加することで、電子放出部５２の電子引き出し電極５３と交差する領域から電子が放出される。加えて、それらより高い電位となるようにメタルバック膜６１に電圧を印加することで、その放出された電子が、電子放出部５２に対向する位置の発光部６０に到達し、これにより発光部６０が発光することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平１−２９８６２３号公報
【特許文献２】特開２０００−３１１６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述したような面発光型の電子放出素子は、メカニズムは明確には解明されていないが、素子構造内に生じるミクロな電気的不均一性により、電子放出点が不均一になってしまう。
【００１９】
これらの電子放出素子の中には、安定化させるための通電処理、すなわちフォーミング処理が施されている素子もあるが、フォーミング処理によって形成される電子放出点は偶発的なものであるため、電子放出点を制御することが難しく、多くの場合は電子放出点が不均一になってしまう。
【００２０】
しかも、電子の放出強度が局所的に強くなると、電子の放出領域では熱ストレスにより電極を構成する金属膜の破壊が急速に進行し、素子寿命が電極を構成する金属膜の破壊により決定されるという問題がある。
【００２１】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、電子の放出強度が局所的に強くなるのを抑えることができ、これにより局所的な電子の放出に伴う局所的な加熱による電極の破壊を抑制することができ、引いては素子の長寿命化を図ることができる電子放出素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係る電子放出素子は、第１電極と、該第１電極上に形成され、少なくとも絶縁性微粒子を含む電子加速層であって、該電子加速層内で電子を加速するための電子加速層と、該電子加速層上に形成された第２電極であって、ダイヤモンドの結晶構造とグラファイトの結晶構造とが混在した非晶質炭素膜を含む、第２電極とを備え、該第１電極と該第２電極との間への電圧の印加により該電子加速層で加速された電子が該第２電極の表面側から外部に放出するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２３】
本発明は、上記電子放出素子において、前記第１電極と前記電子加速層との間に形成され、前記第２電極の表面上での前記電子の放出を均一化するための絶縁膜を備え、該絶縁膜は、該絶縁膜の膜厚方向に延びる複数の貫通孔を有することが好ましい。
【００２４】
本発明は、上記電子放出素子において、前記複数の貫通孔は、行列状に配列されていることが好ましい。
【００２５】
本発明は、上記電子放出素子において、前記第２電極は、前記非晶質炭素膜の仕事関数より小さい仕事関数を有する導電膜を含むことが好ましい。
【００２６】
本発明は、上記電子放出素子において、前記電子加速層は、前記絶縁性微粒子の粒径よりも小さい粒径を有する複数の導電性微粒子を含むことが好ましい。
【００２７】
本発明は、上記電子放出素子において、前記第１電極と前記第２電極との間には、該第１電極と該第２電極との間に発生する電界の電界強度が１Ｖ／ｍ〜１Ｅ７Ｖ／ｍの範囲となるように電圧が印加されることが好ましい。
【００２８】
本発明は、上記電子放出素子において、前記第１電極と前記第２電極との離間距離は、０．１μｍ〜１０．０μｍの範囲であることが好ましい。
【００２９】
本発明は、上記電子放出素子において、前記導電膜は、金、銀、タングステン、タンタル、チタン、アルミ、ニッケル、およびパラジウムのうちの少なくとも１つを含む金属材料で構成されていることが好ましい。
【００３０】
本発明は、上記電子放出素子において、前記非晶質炭素膜は、前記導電膜と前記電子加速層との間に位置するように形成されていることが好ましい。
【００３１】
本発明は、上記電子放出素子において、前記非晶質炭素膜は、前記導電膜の前記電子加速層とは反対側の面上に形成されていることが好ましい。
【００３２】
本発明は、上記電子放出素子において、前記非晶質炭素膜は、前記導電膜と前記電子加速層との間に位置するように形成された第１の非晶質炭素膜と、該導電膜の該電子加速層とは反対側の面上に形成された第２の非晶質炭素膜とを含むことが好ましい。
【００３３】
本発明は、上記電子放出素子において、前記導電膜は、複数の金属層を積層した積層構造を有し、該複数の金属層は互いに異なる金属材料からなり、該金属材料は、金、銀、タングステン、タンタル、チタン、アルミ、ニッケル、およびパラジウムのうちの少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００３４】
本発明は、上記電子放出素子において、前記第２電極は、前記非晶質炭素膜のみにより構成されており、該非晶質炭素膜の膜厚は５〜２０ｎｍであり、該非晶質炭素膜の表面粗さは１．０〜１５ｎｍであることが好ましい。
【００３５】
本発明は、上記電子放出素子において、前記第２電極の熱伝導率は、３０〜５００Ｗ／ｍＫであり、かつ該第２電極の抵抗率は１Ｅ８Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。
【００３６】
本発明は、上記電子放出素子において、前記貫通孔が１〜５０．０μｍの内径を有することが好ましい。
【００３７】
本発明は、上記電子放出素子において、前記絶縁膜の貫通孔は、開口の形状を多角形状、円形状、楕円形状のいずれかの形状としたものであることが好ましい。
【００３８】
本発明は、上記電子放出素子において、前記絶縁膜における貫通孔の配置密度は、１〜５０００個／ｍｍ２であることが好ましい。
【００３９】
本発明は、上記電子放出素子において、前記絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂膜、アクリル樹脂膜またはポリイミド樹脂膜からなることが好ましい。
【００４０】
本発明は、上記電子放出素子において、前記絶縁性微粒子は、２〜５０００ｎｍの平均粒径を有することが好ましい。
【００４１】
本発明は、上記電子放出素子において、前記絶縁性微粒子は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＴｉＯ２のうちの少なくとも１つから形成された微粒子であることが好ましい。
【００４２】
本発明に係る電子放出装置は、上述した本発明の電子放出素子と、該電子放出素子の第１電極と第２電極との間に電圧を印加する電源部とを備えたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４３】
本発明に係る自発光デバイスは、上述した本発明の電子放出装置と、発光体とを備え、前記電子放出装置から放出された電子によって該発光体が励起して発光するように構成されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００４４】
本発明に係る画像表示装置は、上述した本発明の自発光デバイスを光源として備えたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４５】
本発明に係るイオン風発生装置は、上述した本発明の電子放出装置を備え、被冷却体に向かって該電子放出装置から電子を放出することにより、該被冷却体に向かうイオン風を発生させるように構成されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００４６】
本発明は、上記イオン風発生装置において、前記被冷却体に向かう空気流を発生する送風ファンをさらに備えたことが好ましい。
【００４７】
本発明に係る空気清浄装置は、汚染粒子を含む空気を清浄する空気清浄装置であって、該汚染粒子を含む空気をイオン化するイオン化装置と、該空気中の汚染粒子を採取する採取処理装置とを備え、該イオン化装置は、上述した本発明の電子放出装置であり、該電子放出装置が電子を該空気中に放出することにより該空気がイオン化し、イオン化された空気が、該採取処理装置が発生させる電界により移動することによりイオン風が発生し、該イオン風により該汚染粒子を含む空気が採取処理装置に到達するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４８】
本発明に係る空気調和装置は、対象領域の空調を行う空気調和装置であって、外部から装置本体に取り入れた空気に対して、少なくとも温度、湿度、および清浄度の調整処理を行う空調処理部と、上述した本発明の電子放出装置とを備え、該空調処理部で処理された空気を該電子放出装置からの電子の放出によりイオン化して排出するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４９】
本発明に係る空気加湿装置は、室内の空気を加湿する空気加湿装置であって、外部から装置本体に取り入れた空気に対する加湿処理を行う加湿処理部と、上述した本発明の電子放出装置とを備え、該加湿処理部で処理された空気を該電子放出装置からの電子の放出によりイオン化して排出するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５０】
本発明に係る空気除湿装置は、室内の空気を除湿する空気除湿装置であって、外部から装置本体に取り入れた空気に対する除湿処理を行う除湿処理部と、上述した本発明の電子放出装置とを備え、該除湿処理部で処理された空気を該電子放出装置からの電子の放出によりイオン化して排出するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５１】
本発明に係る送風装置は、送風を行う送風装置であって、空気流を発生させる空気流発生部と、上述した本発明の電子放出装置とを備え、該空気流発生部で発生させた空気流を該電子放出装置からの電子の放出によりイオン化して送り出すものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５２】
本発明に係る換気装置は、室外の空気を室内に取り入れて室内の換気を行う換気装置であって、該室外から該室内に向かう空気流を発生させる空気流発生部と、上述した本発明の電子放出装置とを備え、該空気流発生部で発生させた空気流を該電子放出装置からの電子の放出によりイオン化して該室内に送り出すものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５３】
本発明に係る冷却装置は、被冷却体を冷却する冷却装置であって、該被冷却体の表面に空気を送る送風部と、上述した本発明の電子放出装置とを備え、該被冷却体の表面に向かうイオン風を、該被冷却体の表面に滞留する空気の分子が該イオン風に含まれるイオンと置換されるように、該電子放出装置からの電子の放出により発生させるものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５４】
本発明に係る冷蔵装置は、物品を室温より低い温度で保存する冷蔵装置であって、該物品を保存する保存庫と、該保存庫内の雰囲気を冷却する冷却器と、上述した本発明の電子放出装置とを備え、該電子放出装置から電子を該保存庫内に放出することにより、該保存庫内にイオン風を発生させるものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５５】
本発明に係る帯電装置は、露光パターンにより潜像を描画するための感光体を帯電させる帯電装置であって、上述した本発明の電子放出装置を備え、該電子放出装置から該感光体に向かって電子を放出することにより該感光体を帯電させるものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【発明の効果】
【００５６】
以上のように本発明によれば、電子の放出強度が局所的に強くなるのを抑えることができ、これにより局所的な電子の放出に伴う局所的な加熱による電極の破壊を抑制することができ、引いては素子の長寿命化を図ることができる電子放出素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、本発明の実施形態１による電子放出素子を説明する模式図であり、図１（ａ）は、この電子放出素子の断面構造を示し、図１（ｂ）は、この電子放出素子の電子放出面の形状を示し、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ部分を拡大して示している。
【図２】図２は、本発明の実施形態２による電子放出素子を説明する模式図であり、図２（ａ）は、この電子放出素子の断面構造を示し、図２（ｂ）は、この電子放出素子の電子放出面の形状を示している。
【図３】図３は、本発明の実施形態３による電子放出素子を説明する模式図であり、図３（ａ）は、この電子放出素子の断面構造を示し、図３（ｂ）は、この電子放出素子の電子放出面の形状を示している。
【図４】図４は、本発明の実施形態４による電子放出素子を説明する模式図であり、図４（ａ）は、この電子放出素子の断面構造を示し、図４（ｂ）は、この電子放出素子の電子放出面の形状を示している。
【図５】図５は、本発明の実施形態５による電子放出素子を説明する模式図であり、図５（ａ）は、この電子放出素子の断面構造を示し、図５（ｂ）は、この電子放出素子の電子放出面の形状を示している。
【図６】図６は、本発明の実施形態６による自発光デバイスを説明する模式図であり、この自発光デバイスの断面構造を示している。
【図７】図７は、本発明の実施形態７による画像表示装置を説明する模式図であり、この画像表示装置の断面構造を示している。
【図８】図８は、本発明の実施形態８による空気清浄化装置を説明する模式図であり、この空気清浄化装置の断面構造を示している。
【図９】図９は、本発明の実施形態９および実施形態１０を説明する模式図であり、図９（ａ）は、実施形態９による換気装置を示し、図９（ｂ）は、実施形態１０による空気調和装置を示している。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態１１から実施形態１３を説明する模式図であり、図１０（ａ）は、実施形態１１による加湿装置を示し、図１０（ｂ）は、実施形態１２による除湿装置を示し、図１０（ｃ）は、実施形態１３による送風装置を示している。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態１４による帯電装置を説明する模式図であり、この帯電装置の断面構造を示している。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態１５による冷却装置を説明する模式図であり、この冷却装置の断面構造を示している。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態１６による冷蔵装置を説明する模式図であり、この冷蔵装置の断面構造を示している。
【図１４】図１４は、従来の電子放出素子を説明する図であり、特許文献１に開示のＭＩＭ型電子放出素子の断面構造を示している。
【図１５】図１５は、従来の電子放出素子を説明する図であり、特許文献２に開示の平面ディスプレイに用いられている電子放出のための構造を示している。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００５９】
なお、以下に記述する本発明の実施形態は、本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【００６０】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による電子放出素子を説明する模式図であり、図１（ａ）は、この電子放出素子の断面構造を示し、図１（ｂ）は、この電子放出素子の電子放出面の形状を示し、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ部分を拡大して示している。
【００６１】
この実施形態１による電子放出素子（以下、単に素子ともいう。）１００は、この素子の内部で電子を加速して素子の表面から電子ｅを放出する面放出型の電子放出素子である。
【００６２】
この電子放出素子１００は、素子の基板を兼ねる第１電極（以下、電極基板ともいう。）１０１と、第１電極１０１上に形成された電子加速層１０３と、電子加速層１０３上に形成された第２電極（以下、薄膜電極ともいう。）１０２とを有している。ここで、第２電極１０２は、電子加速層１０３上に形成された非晶質炭素膜１１０と、非晶質炭素膜１１０上に形成され、非晶質炭素膜１１０の仕事関数より小さい仕事関数を有する導電膜１１１とを含んでいる。
【００６３】
ここで、第１電極１０１および第２電極１０２には電源部１１により電圧が印加されるようになっている。この電源部１１と電子放出素子１００とは電子放出装置１０を構成している。この実施形態１の電子放出素子１００では、第２電極１０２を構成する非晶質炭素膜１１０は、ダイヤモンドの結晶構造（ｓｐ３結合）とグラファイトの結晶構造（ｓｐ２結合）とが混在したダイヤモンドライクカーボン膜（以下、ＤＬＣ膜という。）である。
【００６４】
なお、電子放出素子１００に印加する電圧は、直流電圧でも交流電圧でもどちらでもよいが、電子放出量が比較的安定している交流電圧の方が好ましい。本明細書において、単に電圧と記述する際には交流電圧と直流電圧の両方を指すものとする。印加する電圧は１０〜２５Ｖの範囲が望ましい。
【００６５】
以下、この実施形態１の電子放出素子１００の構成要素について詳しく説明する。
【００６６】
〔第１電極１０１〕
第１電極１０１は導体で形成された板状体である。この第１電極１０１は、電子放出素子１００の支持体として機能すると共に、電極として機能するものである。このため、第１電極１０１は、ある程度の強度を有し、かつ適度な導電性を有するものであればよく、微細加工が容易なＳｉ系の半導体基板を用いることができる。また、第１電極１０１は、ガラス基板またはプラスティック基板等の絶縁体基板上に、導電性膜を電極として形成してなる構造体であってもよい。また、絶縁体基板を導電性膜で被覆してなる構造の第１電極１０１では、導電性膜に強い機械的強度が要求されるため、この導電性膜は、複数の導電性膜の積層構造としてもよい。
【００６７】
例えば、第１電極１０１を構成する絶縁体基板を被覆する導電性膜には、絶縁体基板であるガラス基板表面にＴｉ膜を膜厚２０．０ｎｍに形成し、その上にＣｕ膜を膜厚１０．００ｎｍに形成してなる金属積層膜や、ガラス基板表面にＭｏ膜を膜厚３０ｎｍに形成し、その上にＡｌ膜を膜厚１３０ｎｍに形成し、その上にＭｏ膜を膜厚５０ｎｍに形成してなる金属積層膜を用いてもよい。金属積層膜を構成する金属材料や数値（膜厚）は上記のものに限定されることはない。なお、絶縁体基板の表面の導電性膜は、周知のフォトリソグラフィ技術やエッチングマスクを用いて方形等にパターニングしたものでもよい。
【００６８】
〔電子加速層１０３〕
電子加速層（絶縁性微粒子層）１０３は第１電極１０１上に形成されており、複数の絶縁性微粒子１０３ａを含んでいる。この電子加速層１０３は、第１電極１０１から第２電極１０２へ向かう電子を加速させる機能を有する。電子加速層１０３は、主として、半導電性を有する絶縁性微粒子１０３ａを含んで構成されているため、電子加速層１０３は電圧が印加されると、電子加速層１０３内に極弱い電流が流れる。電子加速層１０３の電圧電流特性は所謂バリスタ特性を示し、印加電圧の上昇に伴い急激に電流値を増加させる。この電子加速層１０３での電流の一部は、印加電圧が形成する電子加速層内の強電界により弾道電子となり、第２電極１０２を透過して電子放出素子１００の外部へ放出される。また、弾道電子は、絶縁性微粒子１０３ａによる電子加速層１０３の表面の凹凸の影響から生じる、電子加速層１０３と第２電極１０２との隙間（微細孔）をすり抜けて外部へ放出される場合もある。弾道電子の形成過程は、電子が電界方向に加速されつつエネルギー障壁をトンネルすることによるものと推測される。なお、電子加速層１０３は、薄いほど好ましい。なぜなら、電子加速層１０３は薄いほど、強電界がかかるため、低電圧印加で電子を加速させることができるからである。ただし、電子加速層１０３があまり薄すぎると、抵抗体としての機能が得られないこと、また、電子加速層１０３が厚すぎると電子の加速に高電圧の印加が必要となることから、電子加速層１０３の膜厚は０．１〜１０．０μｍの範囲であることが望ましい。
【００６９】
また、絶縁性微粒子の材料は、絶縁性を有する材料であれば特に制限なく用いることができる。例えば、絶縁性微粒子１０３ａには、ＳｉＯ２、ＺｎＯ等の半導体酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣｕＯ等の金属酸化物からなる絶縁性微粒子を用いることができる。また、これらの絶縁性微粒子は、単独で、あるいは複数種類組み合わせて用いることもできる。
【００７０】
また、電子加速層１０３は他の微粒子や材料を含んで構成されてもよい。例えば、電子加速層１０３には、絶縁性微粒子１０３ａの粒径よりも小さい粒径を有する導電性微粒子１０３ｂが含まれていてもよい。なお、本願明細書において、粒径とは平均一次粒径を意味するものとする。電子加速層１０３に導電性微粒子１０３ｂを添加することによって、電子加速層１０３を流れる電流値（つまり電子放出量）を制御することができる。換言すると、電子加速層１０３中の導電性微粒子１０３ｂの含有量を調整して、電子加速層１０３の電気抵抗の値を任意の範囲に調整できる。導電性微粒子１０３ｂとしては、特に限定されないが、例えば、金、銀、白金、パラジウムおよびニッケルからなる導電性微粒子のうち少なくとも１種を含んでいてもよい。
【００７１】
なお、導電性微粒子１０３ｂの粒径が絶縁性微粒子１０３ａの粒径と同等以上であると、電子加速層１０３が必要とする絶縁性が得られなくなるため、導電性微粒子１０３ｂの粒径は絶縁性微粒子１０３ａの粒径よりも小さい必要がある。また、電子加速層１０３は絶縁性微粒子１０３ａのみで構成されてもよい。さらに、電子加速層１０３には、バインダー成分として少量のシリコーン樹脂が含まれていてもよい。電子加速層１０３がシリコーン樹脂を含むことで、電子放出素子１００の機械的強度を向上することができると共に、大気中の酸素および水分などによる素子劣化を防ぐことができ、長寿命化をより効果的に図ることができる。
【００７２】
この実施形態１の電子放出素子における電子加速層を図面を用いて具体的に説明する。図１（ｃ）は、本実施形態１による電子放出素子における電子加速層の要部（図１（ａ）のＡ部分）を拡大して示している。
【００７３】
同図に示されるように、電子加速層１０３には、絶縁性微粒子（第２の誘電体物質）と、導電性微粒子（周囲に第１の誘電体物質が存在する導電体からなる微粒子である金属微粒子）とが含まれている。このように、電子加速層１０３に含まれる微粒子は、２種類存在し、１つは絶縁性微粒子であり、もう１つは導電性微粒子（つまり、絶縁被覆された金属微粒子）である。ここで、絶縁被覆された金属微粒子の金属種としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような金属種でも用いることができる。
【００７４】
ただし、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、酸化しにくい金属が好ましく、例えば、金、銀、白金、ニッケル、パラジウムといった材料が挙げられる。また、絶縁被覆された金属微粒子の絶縁被膜としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような絶縁被膜でも用いることができる。ただし、絶縁被膜を金属微粒子の酸化被膜によって賄った場合、大気中での酸化劣化により酸化被膜の厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまうおそれがあるため、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、有機材料による絶縁被膜が好ましい。この電子加速層１０３での弾道電子の生成の原理については後段で詳しく記載するが、その原理に従って考えると、その絶縁被膜の厚さは薄いほうが有利であることが言える。
【００７５】
〔第２電極１０２の導電膜１１１〕
第２電極１０２は、第１電極１０１と対をなす電極を構成し、第１電極１０１と共に電子加速層１０３内に電界を発生させるための電極である。このため、第２電極１０２を構成する導電膜１１１は、電極として機能する程度の導電性を有する材料にて形成されればよい。ただし、第２電極１０２には、電子加速層１０３内で加速されて高エネルギーとなった電子をなるべくエネルギーのロスを抑制しつつ透過させて素子の外部に放出することが求められ、第２電極１０２を構成する導電膜１１１は、仕事関数が低く、かつ薄膜で形成することが可能な導電性材料で形成されることが好ましい。
【００７６】
このような材料としては、例えば、仕事関数が４〜５ｅＶに該当する金、銀、タングステン、ニッケル、チタン、タンタル、アルミ、パラジウムなどが挙げられる。中でも大気圧中での動作を想定した場合、酸化物および硫化物の形成反応のない金が、最良な材料となる。また、酸化物形成反応の比較的小さい銀、パラジウム、タングステンなども問題なく実使用に耐える材料である。第２電極１０２を構成する導電膜１１１の膜厚は、電子放出素子１００から外部へ電子ｅを効率良く放出させる条件として重要であり、この観点から１０〜５５ｎｍが好ましい。第２電極１０２を平面電極として機能させるための導電膜１１１の最低膜厚は１０ｎｍであり、これより薄い膜厚では電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子１００から外部へ電子ｅを放出させるための導電膜１１１の最大膜厚は５５ｎｍであり、これより厚い膜厚では弾道電子の透過が起こらず、第２電極で弾道電子の吸収、あるいは反射による電子加速層への再捕獲が生じてしまう。このため、第２電極の導電膜１１１の膜厚は１０〜５５ｎｍであることが好ましい。
【００７７】
〔第２電極１０２のＤＬＣ膜１１０〕
ＤＬＣ膜１１０を構成する材料は、炭素元素を主成分として構成される非晶質組織であり、炭素元素のみからなるアモルファスカーボン、水素を含有する水素アモルファスカーボン、チタン等の金属元素を一部に含むメタルカーボンが挙げられるが、本発明に用いるＤＬＣ膜としては、特にこれらに限定されるものではない。
【００７８】
以下、この実施形態１で用いるＤＬＣ膜１１０の特性（ａ）〜（ｄ）について具体的に説明する。
【００７９】
（ａ）ＤＬＣ膜の比抵抗について
まず、ＤＬＣ膜の比抵抗（電気抵抗率）は高く、つまり、ＤＬＣ膜１１０は、第２電極１０２の導電膜１１１と電子加速層１０３との間の抵抗体として機能する。例えば、グラファイトの比抵抗が１Ｅ３Ω・ｃｍであるのに対し、ＤＬＣ膜の比抵抗は１Ｅ７Ω・ｃｍ〜１Ｅ９Ω・ｍである。なお、ＤＬＣ膜１１０と導電膜１１１とからなる第２電極全体としては、その電気抵抗率が１Ｅ８Ω・ｃｍ以上と高いことが望ましい。
【００８０】
従来技術で説明したように、電子放出素子の電子放出面からの電子の放出は面内で均一なものではなく、局所的な偏ったものであるため、この電子放出素子を長時間にわたる連続動作試験にかけると、一部の電子放出部分に電界が集中した状態が続くことになり、この電子放出素子は、局所的な電圧および電流の印加によるストレスや局所的な発熱による機械的なストレスに連続的に曝される。大きい電圧および電流によるストレスや発熱による機械的なストレスの印加が長時間続くと、電子加速層における第２電極の表面の電子放出領域に対応する部分に欠陥が生じる場合があり、欠陥数が増加すると電流のパスが生じてしまい、絶縁破壊につながる。
【００８１】
抵抗体としてのＤＬＣ膜１１０は、例えば、金、銀等からなる第２電極１０２の導電膜１１１と比較して電気的に高抵抗であるため、電子放出領域での電子放出強度を抑えることができ、これにより電子放出素子１００での局所的かつ連続的な電圧および電流の印加によるストレス、さらに局所的な発熱による機械的なストレスが緩和されることになる。この結果、欠陥が生じ難く、絶縁破壊が生じ難くなる。
【００８２】
また、ＤＬＣ膜の膜厚は、印加電圧、電子加速層の膜厚、第２電極の導電膜の材質等の条件にもよるが、前記条件の場合は５〜２０ｎｍが好ましい。ＤＬＣ膜の膜厚が５ｎｍより薄いとＤＬＣ膜が抵抗体として機能するには十分でなく、一方、膜厚が２０ｎｍより厚いと電子放出に必要な電圧が大きくなり好ましくない。
【００８３】
つまり、第２電極１０２の電子加速層１０３側の面にＤＬＣ膜１１０を形成することにより、適度な電圧で十分な電子を放出することができると共に、絶縁破壊が生じ難くし、かつ温度上昇を抑制することができるため、長時間の連続動作が可能となる。
【００８４】
また、ＤＬＣ膜は内部応力が高いため、第２電極を、ＤＬＣ膜の単層構造、もしくは、ＤＬＣ膜と、金、銀、タングステン、タンタル、チタン、アルミ、ニッケル、パラジウムのうちの少なくとも１つの金属膜からなる導電膜との積層構造とした場合において、素子電極の剥離が起こることを抑制するために、ＤＬＣ膜の表面粗さを１．０〜１５ｎｍとすることが好ましい。なお、この表面粗さの値は小さすぎると、実質的な密着性が得られず、大きすぎると、ＤＬＣ膜の表面の凸凹により、このＤＬＣ膜上に導電膜を形成したときに局所的な応力が発生することとなる。
【００８５】
（ｂ）ＤＬＣ膜の熱伝導率などについて
ＤＬＣは、３０〜５００Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率をもち、この熱伝導率は、グラファイトの六角形環が広がる方向における値（１０００〜２０００Ｗ／ｍＫ）と比べると低いものの、同じ程度の抵抗値を有する材料に比べると高い熱伝導率である。また、ＤＬＣは非晶質であるために、その熱伝導に異方性はなく、その熱伝導は等方的であり、結晶方位によらずに熱を等方的に放熱することができる。ＤＬＣは、線熱膨張率が３×１０−６〜５×１０−６／Ｋと小さい。従って、ＤＬＣは、第２電極の構成材料として好適である。
【００８６】
（ｃ）ＤＬＣ膜の電子の放出しやすさ（仕事関数）について
一般に炭素素材物質の仕事関数は構造によって大きく異なるが、本発明の電子放出素子で用いるＤＬＣ膜は、グラファイト膜に比べて仕事関数が小さく、低い電界で電子を放出することができる。炭素系薄膜は一般的に電子を放出し易いが、窒素をドーピングしたＤＬＣ膜はさらに電子を放出し易いものとなる。
【００８７】
特に、ＤＬＣ膜では、グラファイト膜とは異なり、水素や窒素のドーピング量やドーパントの種類を変えることにより電子放出特性を制御できる。例えば、ＤＬＣ膜では、ドーピング量やドーパントの種類によりバンドギャップを変化させることができる。
【００８８】
しかも、ＤＬＣ膜は、電気伝導率が高くなるにつれて、言い換えると、抵抗が小さくなるにつれて、電子放出電圧が低下する傾向にあり、電気伝導率によっても電子放出特性を制御できる。
【００８９】
（ｄ）ＤＬＣ膜の平坦性について
ＤＬＣ膜は、グラファイト膜に比べて膜の表面が平坦であるため、ＤＬＣ膜を含む積層構造では、ＤＬＣ膜の表面での凹凸により局所的な応力が発生するのを抑制できる。
【００９０】
なお、ＤＬＣ膜は、上述したように、ダイヤモンド構造に対応するｓｐ３結合を有する炭素と、グラファイト構造に対応するｓｐ２結合を有する炭素が不規則に混在したアモルファス構造の膜であり、ＤＬＣ膜の物性値に幅がある。
【００９１】
簡単に説明すると、ＤＬＣ膜を理解する概念図として、ＦｅｒｒａｉとＲｏｂｅｒｔｓｏｎが３元相図を提案している。この３元相図に示される三角形の上の頂点がダイヤモンド、左下の頂点がグラファイト、右下の頂点が水素に相当する。ＤＬＣ膜のヤング率、硬さおよび電気的性質はダイヤモンドと類似しており、熱伝導率はグラファイトに近い。ＤＬＣ膜の物性値に幅があるのは、ｓｐ３結合とｓｐ２結合の割合および水素含有量の違いで様々な組成や構造のＤＬＣ膜が存在し、物性が大きく変化するためである。
【００９２】
次に、電子放出の原理について簡単に説明する。
【００９３】
例えば、一般にシリカ（ＳｉＯ２）のような絶縁材料の表面において、結晶の欠陥や表面処理が施されることにより、シリカ表面に電気抵抗が低い部分が生じ、電子が流れると考えられる。
【００９４】
従って、本実施形態１の電子加速層１０３では、絶縁性微粒子の表面（つまり、シリカ表面）を電子がホッピング伝導のような形で流れて、エネルギーが高い弾性電子が形成され、第２電極１０２へ到達するが、このとき、第２電極を構成する材料の仕事関数を超えたエネルギーを得ている電子が、電子放出素子の外部へ放出されると考えられる。
【００９５】
〈製造方法〉
次に、図１を参照しながら実施形態１による電子放出素子１００の製造方法について説明する。
【００９６】
上記のように構成された電子放出素子１００は、第１電極上１０１に絶縁性微粒子１０３ａを含んでなる電子加速層１０３を形成する工程と、電子加速層１０３上にＤＬＣ膜１１０を形成する工程と、ＤＬＣ膜１１０に第２電極１０２を形成する工程とを含んでいる。
【００９７】
具体的に説明すると、電子加速層１０３の形成工程において、まず、溶剤に絶縁性微粒子１０３ａが分散された絶縁性微粒子分散液を調製する。このとき、絶縁性微粒子分散液に導電性微粒子を混合し、必要であればバインダー成分を混合してもよい。絶縁性微粒子分散液に用いる溶剤としては、バインダー成分を溶解でき、かつ絶縁性微粒子１０３ａや導電性微粒子１０３ｂを分散でき、かつ塗布後に乾燥することができれば、特に制限はなく、例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いることができる。
【００９８】
次に、絶縁性微粒子分散液を第１電極１０１上にスピンコート法にて塗布する。続いて、第１電極１０１上の塗布膜を乾燥させることにより、電子加速層１０３を形成する。なお、電子加速層３が所望の膜厚となるまで、塗布および乾燥を繰り返してもよい。
【００９９】
次に、第２電極１０２のＤＬＣ膜１１０の形成工程において、電子加速層１０３上にＤＬＣ膜１１０を成膜する。ＤＬＣ膜の成膜方法としては特に限定はなく、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や熱ＣＶＤ法、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、イオン化蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、プラズマイオン注入成膜法、ホローカソードアーク法、真空アーク蒸着法など各種公知の方法で成膜すればよく、またその膜厚は、電極内の放電に影響がない程度であればよいが、効果の点から、ＤＬＣ膜は、例えば５〜２０ｎｍ程度の厚さに成膜することが好ましい。
【０１００】
続いて、第２電極１０２の導電膜１１１の形成工程において、例えば、マグネトロンスパッタ法、インクジェット法、スピンコート法、蒸着法等を用いて、ＤＬＣ膜１１０上に第２電極１０２の導電膜１１１を形成して、電子放出素子１００が完成する。
【０１０１】
そして、この電子放出素子１００の第１電極１０１と第２電極１０２に、リード線を介して電源部１１の負極と正極を電気的に接続することにより、電子放出装置１０が完成する。
【０１０２】
次に作用効果について説明する。
【０１０３】
本実施形態１の電子放出素子１００は、第１電極１０１と第２電極１０２との間に電圧が印加されると、第１電極１０１から、第１電極と第２電極との間における電子加速層１０３中の絶縁性微粒子１０３ａの表面に電子が移る。絶縁性微粒子１０３ａの内部は高抵抗であるため、電子は絶縁性微粒子１０３ａの表面を伝導していく。このとき、絶縁性微粒子の表面の不純物、絶縁性微粒子が酸化物である場合の酸素欠陥、あるいは絶縁性微粒子間の接点で、電子がトラップされる。このトラップされた電子は固定化された電荷として働く。その結果、電子加速層１０３の表面では、印加電圧と、トラップされた電子が作る電界とが合わさって強電界が発生し、その強電界によって電子が加速され、第２電極１０２から電子が放出される。このとき、電子は主に、抵抗の低い導電性微粒子１０３ｂを経由して第１電極１０１から第２電極１０２に移動する。
【０１０４】
このような実施形態１の電子放出素子１００では、第２電極１０２は、単層の導電膜１１１と、この導電膜１１１の電子加速層側の面（内面）上に形成したＤＬＣ膜１１０ａとの積層構造としている。このような構成では、ＤＬＣ膜の抵抗が１Ｅ７Ωｃｍ〜１Ｅ９Ωｃｍ以上と高いことから、第２電極１０２の表面での局所的な電子の放出が生じても、放出強度を低く抑えることができる。また、ＤＬＣ膜１１０は、導電膜１１１に対して抵抗層として働くため、エネルギーが一定値以下の電子の放出が阻止される。これによっても、放出される電子のエネルギーの範囲を狭い範囲に制限することができ、電子の放出の均一化を図ることができる。言い換えると、第２電極内での導電膜に沿った方向での電子の広がりや電子放出量のゆらぎを抑制することで、電子放出量を含む電子放出特性の向上も期待できる。
【０１０５】
また、ＤＬＣ膜１１０は、熱伝導率が３０〜５００Ｗ／ｍＫと高いため、電子の放出領域が偏った場合でも、電子の放出に伴って発生した熱を効果的に放熱することができる。このため、局所的な電子放出による局所的な加熱に伴う第２電極の素子の破壊を抑え、これにより素子の長寿命化も期待できる。
【０１０６】
また、第２電極１０２を構成する導電膜１１１としての金属膜の仕事関数の低さから、電子加速層（微粒子層）で加速された電子を効率よくトンネルさせることができる。また、ＤＬＣ膜１１０は、仕事関数は導電膜１１１より高いが、負の電子親和力（ＮＥＡ：Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ａｆｆｉｎｉｔｙ）を持つため、電子を効率よくトンネルさせることができる。このため、第２電極では、電子放出素子外に高エネルギーの電子をより多く放出させることができる。
【０１０７】
このように、第２電極１０２を、電子放出特性に優れる膜（導電膜）１１１と、信頼性に優れる膜（ＤＬＣ膜）１１０とを適切に形成した積層構造とすることにより、素子温度の適正化による電子放出特性の向上や素子寿命の向上が期待できる。
【０１０８】
また、本実施形態１の電子放出素子１００は、電子放出素子の第１電極と第２電極との間に電圧を印加する電源部１１と組み合わせることにより、適度な電圧（例えば１０〜２５Ｖ）の印加により十分な電子放出量が得られると共に、長時間でも安定して連続動作可能な電子放出装置１０を実現することができる。
【０１０９】
また、第１電極１０１と第２電極１０２との間に、これら間での電界の電界強度が、１Ｖ／ｍ〜１Ｅ７Ｖ／ｍとなるように電圧を印加すれば、酸素の解離エネルギーである６エレクトロンボルトよりも低いエネルギーで、空気中の酸素分子に電子を与えることができる。このため、オゾンや窒素酸化物等の有害物質の発生を防ぐことができる。つまり、大気中での電子の平均自由行程が０．１μｍであるため、例えば電界強度が１Ｅ７Ｖ／ｍである場合、電子のエネルギーは空気分子に衝突するまでに１エレクトロンボルトになる。したがって１Ｅ７Ｖ／ｍよりも低い電界強度にすることで電子放出時のオゾン及び窒素酸化物の発生を防ぐことができる。
【０１１０】
また、ＤＬＣ膜は、イオンビーム蒸着、スパッタ、プラズマＣＶＤ等、ＩＣの製造プロセスで用いられる多くの方法により堆積できるため、ＤＬＣ膜を含む電子放出素子を低コストで形成することができる。また、ＤＬＣ膜はグラファイト膜に比べて一般に低温で形成することができ、ＤＬＣ膜の形成処理の際に発生する熱により、先に形成した電子加速層などの特性が劣化するのを抑制できる。
【０１１１】
なお、第２電極１０２を構成する導電膜１１１は、導電膜の単層構造に限定されるものではなく、上記のような金属材料のうちの異なる材料からなる複数の金属膜を積層した積層構造としてもよい。
【０１１２】
さらに、第２電極１０２は、ＤＬＣ膜１１０のみの単層構造としてもよい。この場合も、ＤＬＣ膜１１０の抵抗が高く、かつ熱伝導性がよいという特性から、上述したように、電子放出量を含む電子放出特性の向上を図ることができる。
【０１１３】
また、上記実施形態１では、導電性微粒子として、導電性微粒子の周囲に第１の誘電体物質が存在する構造のものについて説明したが、導電性微粒子は、この構成に限定されるものではない。電子放出素子においては、導電性微粒子は、その周囲を被覆する第１の誘電体物質を有しない構成、または第１の誘電体物質が導電性微粒子の周囲に、その全体を被覆せずに点在して付着した構成であってもよい。このような構成であっても、第１電極（電極基板）と第２電極（薄膜電極）との間、すなわち電子加速層で電子を加速し、第２電極（薄膜電極）から電子を放出させることができる。
【０１１４】
また、上記電子加速層１０３は、少なくとも一部が絶縁体物質で構成されていればよく、導電性微粒子を含まない構成であってもよい。
【０１１５】
（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２による電子放出素子を説明する模式図であり、図２（ａ）は、この電子放出素子の断面構造を示し、図２（ｂ）は、この電子放出素子の電子放出面の形状を示している。
【０１１６】
この実施形態２による電子放出素子１００ａは、実施形態１の電子放出素子１００において、その表面での電子の放出位置が表面全面に渡って分散するように第１電極１０１と電子加速層１０３との間に電子放出制御絶縁膜１２０を介在させたものである。
【０１１７】
つまり、この実施形態２の電子放出素子１００ａは、素子の基板を兼ねる第１電極１０１と、第１電極１０１上に形成された電子放出制御絶縁膜１２０と、電子放出制御絶縁膜１２０上に形成された電子加速層１０３と、電子加速層１０３上に形成された第２電極１０２とを有している。ここで、第１電極１０１、第２電極１０２、および電子加速層１０３は、実施形態１の電子放出素子１００におけるものと同一のものである。
【０１１８】
また、電子放出制御絶縁膜１２０は、膜厚方向に延びる複数の貫通孔（以下、小孔ともいう。）１２１を有し、この小孔１２１には、電子放出制御絶縁膜１２０上に形成された電子加速層１０３を構成する絶縁性微粒子１０３ａおよび金属微粒子１０３ｂが埋め込まれている。この電子放出制御絶縁膜１２０に形成された複数の小孔１２１の配置に規則性はないが、複数の小孔１２１は、局所的に集中することがないように分散させて配置されている。この電子放出制御絶縁膜１２０は、複数の小孔１２１を有することにより、電子放出素子１００ａでの電子放出をその電子放出面内で均一化する機能を有する。
【０１１９】
このような実施形態２の電子放出素子１００ａでは、第１電極１０１と第２電極１０２との間に電圧を印加することにより、電子加速層１０３における電子放出制御絶縁膜１２０の小孔１２１に対応する部分でのみ電子が加速し、第２電極１０２の表面の、電子放出制御絶縁膜１２０の小孔１２１に対応する領域から電子が外部へ放出する。
【０１２０】
以下、この実施形態２の電子放出素子１００ａの構成要素について詳しく説明する。
【０１２１】
ただし、第１電極１０１、第２電極１０２、および電子加速層１０３は、実施形態１の電子放出素子１００におけるものと同一のものであるので、主に電子放出制御絶縁膜１２０について説明する。
【０１２２】
〔電子放出制御絶縁膜１２０〕
この実施形態２の電子放出素子１００ａでは、電子放出制御絶縁膜１２０には、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン窒化酸化膜などの無機膜、シリコーン樹脂膜、アクリル系樹脂膜、ポリイミド系樹脂膜、エポキシ系樹脂膜、ポリエステル系樹脂膜、ポリウレタン系樹脂膜、ポリスチレン系樹脂膜などの有機膜等の絶縁膜が用いられる。
【０１２３】
これらの絶縁膜の中でも、電子放出制御絶縁膜１２０としては、抵抗値、耐熱性、吸水率、機械的強度などの観点から、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂膜、アクリル樹脂膜およびポリイミド樹脂膜がより好ましい。
【０１２４】
また、電子放出制御絶縁膜は、これら各種絶縁膜の単層構造としても、あるいは各種絶縁膜を組み合わせた積層構造としてもよい。また、電子放出制御絶縁膜に形成される複数の小孔のサイズ、形状、密度等は、隣接する小孔相互における電界が互いに干渉しない程度、つまり、隣接する小孔の一方における電界により加速された電子が、隣接する小孔の他方における電界により引き込まれることがない程度に、隣接する小孔における電界を分離できるものであればよい。
【０１２５】
具体的に説明すると、この実施形態２において、電子放出制御絶縁膜１２０の小孔１２１のサイズは、例えば、一辺が１〜５０．０μｍの正方形内に収まるサイズであり、さらに具体的には、その内径が１〜５０．０μｍである。小孔１２１は、電子加速層１０３の層厚に対してその内径が小さすぎると、小孔内の電界が弱まり電子放出効率が低下しやすい傾向があり、また、逆にその内径が大きすぎると、複数の小孔を分散させて配置したことによる電子放出の均一化が達成されない傾向がある。
【０１２６】
一方、小孔の形状は、特に限定されない。また小孔の大きさ、密度については、素子における局所的かつ連続的な電圧および電流によるストレス、あるいは加熱による機械的なストレスの緩和に関係し、サイズの小さい小孔を高密度に配置することが素子寿命の観点から好ましい。
【０１２７】
この実施形態２の電子放出素子１００ａにおいて、小孔の平面視形状は、例えば、多角形（正三角形、正方形、長方形、菱形、五角形、六角形、正多角形等）、円形、楕円形等である。これらの形状の中で、電子が集中しやすい鋭利な頂点を持たない点で、短径に対する長径の長さの比が１〜２の形状が好ましく、この比を実現する楕円形がより好ましい。
【０１２８】
また、このような小孔の平面視形状の中でも、同一面積で比較した場合に曲率が最も緩くなる円形がさらに好ましい。このとき、電子放出素子の第２電極の外表面から垂直方向に電子が安定して放出できるように、小孔の膜厚方向の断面形状は長方形または正方形であることが望ましい。また、この実施形態において、小孔は、例えば５〜５０００個／ｍｍ２の密度で電子放出制御絶縁膜１２０に配置される。
【０１２９】
なお、本発明において電子放出制御絶縁膜１２０の小孔１２１の内径とは、小孔１２１の平面視形状が円形の場合、円の直径、楕円形の場合、長径、多角形の場合、最長となる対角線の長さである。また、本発明において小孔１２１の短径とは、小孔の平面視形状が楕円形（長円）の場合の短径のみならず、小孔の平面視形状が多角形の場合における最短の対角線の長さを含む。長径についても同様であり、本発明において小孔１２１の長径とは、小孔の平面視形状が楕円形（長円）の場合の長径のみならず、小孔の平面視形状が多角形の場合における最長の対角線の長さを含む。ここで、小孔の平面視形状が多角形の場合には、平面視多角形形状は、フォトリソ工程で形成され、多角形の頂点が円弧状となった形状も含まれる。
【０１３０】
〈製造方法〉
次に、図２を参照しながら実施形態２による電子放出素子１００ａの製造方法について説明する。
【０１３１】
上記のように構成された実施形態２の電子放出素子１００ａの製造方法は、第１電極上１０１に、膜厚方向に貫通した複数の小孔１２１を有する電子放出制御絶縁膜１２０を形成する工程と、電子放出制御絶縁膜１２０を覆うように第１電極上１０１に絶縁性微粒子１０３ａおよび導電性微粒子１０３ｂを含んでなる電子加速層１０３を形成する工程と、電子加速層１０３上に第２電極１０２のＤＬＣ膜１１０を形成する工程と、ＤＬＣ膜１１０上に第２電極１０２の導電膜１１１を形成する工程とを含んでいる。
【０１３２】
この実施形態２の電子放出素子の製造方法は、電子放出制御絶縁膜１２０の形成工程を含む点でのみ実施形態１のものと異なるので、以下電子放出制御絶縁膜２の形成工程についてのみ説明する。
【０１３３】
まず、絶縁体材料としての例えばアクリル系樹脂を溶剤に溶かした塗液を第１電極１０１上にスピンコート法で塗布して塗布膜を形成し、塗布膜を加熱乾燥し、その後、フォトリソグラフィーによって、乾燥した塗布膜（絶縁膜）に複数の小孔１２１を形成することにより、電子放出制御絶縁膜１２０を形成する。
【０１３４】
絶縁体材料は、アクリル系樹脂以外にも、例えば、シリコーン樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリスチレン系樹脂などの有機ポリマーが挙げられる。また、これらの有機ポリマーは、１種または２種以上を混合して用いてもよい。
【０１３５】
また、絶縁体材料は、有機ポリマー以外にも、シリコン酸化物やシリコン窒化物などの無機材料を用いて、例えば、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等によって電子放出制御絶縁膜１２０を形成してもよい。
【０１３６】
また、小孔１２１の形成方法として、電子ビームリソグラフィ、プラズマエッチング、インクジェット等を用いてもよく、これらの方法に限定されるものではない。
【０１３７】
その後は、実施形態１の電子放出素子の製造方法と同様にして、電子加速層１０３を形成する。ただし、この実施形態２では、電子放出制御絶縁膜１２０の小孔１２１内に絶縁性微粒子１０３ａを満充するように絶縁性微粒子分散液における絶縁性微粒子１０３ａの濃度は１０〜５０重量％に調整する。
【０１３８】
さらに、実施形態１と同様に、第２電極１０２のＤＬＣ膜１１０、および第２電極１０２の導電膜１１１を順次形成して、電子放出素子１００ａを完成する。
【０１３９】
そして、この電子放出素子１００ａの第１電極１０１と第２電極１０２に、リード線を介して電源部１１の負極と正極を電気的に接続することにより、電子放出装置１０ａを完成する。
【０１４０】
次に作用効果について説明する。
【０１４１】
本実施形態２の電子放出素子の電子放出のメカニズムについて説明する。
【０１４２】
本実施形態２の電子放出素子１００ａは、実施形態１の電子放出素子１００と同様に、第１電極１０１と第２電極１０２との間に電圧が印加されると、電子放出制御絶縁膜１２０の小孔１２１内で、第１電極１０１から、第１電極と第２電極との間における電子加速層１０３中の絶縁性微粒子１３０ａの表面に電子が移る。絶縁性微粒子１０３ａの内部は高抵抗であるため、電子は絶縁性微粒子の表面を伝導していく。このとき、絶縁性微粒子の表面の不純物、絶縁性微粒子が酸化物である場合の酸素欠陥、あるいは絶縁性微粒子間の接点で、電子がトラップされる。このトラップされた電子は固定化された電荷として働く。その結果、電子加速層１０３の表面では、印加電圧と、トラップされた電子が作る電界とが合わさって強電界が発生し、その強電界によって電子が加速され、第２電極から電子が放出される。
【０１４３】
このとき、電子は主に、抵抗の低い導電性微粒子１０３ｂを経由して第１電極１０１から第２電極１０２に移動する。また、第１電極から放出される電子は、電子放出制御絶縁膜の小孔の位置における電子加速層で加速されて第２電極から外部へ放出させる。したがって、均一かつ制御性のよい電子の放出が行われ、素子内の局所的かつ連続的な電圧および電流の印加によるストレス、および局所的な加熱による機械的ストレスの緩和を実現することができる。
【０１４４】
この電子放出のメカニズムをマクロな視点でとらえると、電子放出制御絶縁膜１２０には厚み方向に貫通する複数の小孔１２１が設けられているので、第１電極１０１から各小孔１２１内に入り込んだ電子加速層１０３に電子が移動し、前記メカニズムで電子が放出される。電子放出制御絶縁膜１２０では、電気抵抗が高く、第１電極１０１からの電子が電子放出制御絶縁膜１２０から上層に移動しないため、電子放出が起こらない。この結果、小孔部分でのみ電子が放出されることになり、素子全体に配置した小孔から電子が均一に放出される。また、電子放制御絶縁膜１２０の小孔の開口パターンにしたがって電子放出が生じる素子構造になっているので、電子の放出領域を分散させることができる。
【０１４５】
このように本実施形態２の電子放出素子１００ａでは、第１電極１０１と電子加速層１０３との間に設けられた電子放出制御絶縁膜１２０を備え、電子放出制御絶縁膜１２０を、分散させて配置された複数の小孔１２１を有する構造とすることで、電子放出させる部分である小孔１２１と電子放出させない部分とが交互に配列した構造としているので、第２電極１０２の外表面から電子の放出が、小孔に対応した領域から行われることとなる。つまり、電子の放出が第２電極１０２の外表面上で分散して行われることとなり、電子の放出が均一化される。これにより素子内部での局所的かつ連続的な電圧および電流の印加によるストレス、および局所的かつ連続的な発熱による機械的ストレスを緩和することができ、その結果、素子寿命の延長を図ることができる。
【０１４６】
また、本実施形態２では、第１電極１０１と電子加速層１０３との間に電子放出制御絶縁膜１２０を設け、電子放出制御絶縁膜１２０を、分散させて配置された複数の小孔１２１を有する構造とすることで、ＤＬＣ膜で生ずる内部応力を電子放出制御絶縁膜１２０により緩和することができ、第２電極１０２が電子加速層１０３から剥離するのを抑制することができる。
【０１４７】
（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３による電子放出素子を説明する模式図であり、図３（ａ）は、この電子放出素子の断面構造を示し、図３（ｂ）は、この電子放出素子の電子放出面の形状を示している。
【０１４８】
この実施形態３の電子放出素子１００ｂは、実施形態２の電子放出素子１００ａにおいて、複数の小孔１２１をランダムに配置した電子放出制御絶縁膜１２０に代えて、複数の小孔１２１を縦横整然とマトリックス状に配置した電子放出制御絶縁膜１２０ａを備えたものである。
【０１４９】
なお、この実施形態３の電子放出素子１００ｂにおけるその他の構成は実施形態２のものと同一であり、この実施形態３の電子放出装置１０ｂは、電子放出素子１００ｂと、この電子放出素子１００ｂの第１電極１０１と第２電極１０２との間に電圧を印加する電源部１１とにより構成されている。この電源部１１は実施形態２におけるものと同一である。
【０１５０】
また、この実施形態３の電子放出素子１００ｂの製造方法は、実施形態２の電子放出素子１００ａの製造方法とは、電子放出制御絶縁膜１２０ａを構成する絶縁体材料の塗布膜をフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングして複数の小孔１２１を形成する際、塗布膜のパターニングを複数の小孔１２１が縦横整然とマトリックス状に配置されるように行う点のみ異なる。
【０１５１】
このような構成の実施形態３の電子放出素子１００ｂでは、実施形態２の効果に加えて、電子放出制御絶縁膜１２０ａを、その複数の小孔１２１を縦横整然とマトリックス状に配置した構造としたので、第２電極の外表面からの電子の放出をより均一なものとできる。
【０１５２】
（実施形態４）
図４は、本発明の実施形態４による電子放出素子を説明する模式図であり、図４（ａ）は、この電子放出素子の断面構造を示し、図４（ｂ）は、この電子放出素子の電子放出面の形状を示している。
【０１５３】
この実施形態４による電子放出素子１００ｃは、実施形態３の電子放出素子１００ｂにおける第２電極１０２に代えて、第２電極１０２とは構造の異なる第２電極１０２ａを備えたものであり、その他の構成は実施形態３の電子放出素子１００ｂと同一である。
【０１５４】
つまり、実施形態３の電子放出素子１００ｂでは、第２電極１０２ａの積層構造は、導電膜１１１の電子加速層側の面（内面）上にＤＬＣ膜１１０を配置した構造であるのに対し、この実施形態４の電子放出素子１００ｃでは、第２電極１０２ａの積層構造は、導電膜１１１の外面上、つまり導電膜１１１の電子加速層１０３とは反対側の面上にＤＬＣ膜１１０ａを形成した構造である。
【０１５５】
この実施形態４の電子放出素子１００ｃにおけるその他の構成は実施形態３のものと同一であり、この実施形態４の電子放出装置１０ｃは、電子放出素子１００ｃと、この電子放出素子１００ｃの第１電極１０１と第２電極１０２ａとの間に電圧を印加する電源部１１とにより構成されている。この電源部１１は実施形態３におけるものと同一である。
【０１５６】
また、この実施形態４の電子放出素子の製造方法は、実施形態３の電子放出素子の製造方法とは、電子加速層１０３上にはＤＬＣ膜を形成せずに第２電極１０２の導電膜１１１を直接形成し、その後、この導電膜１１１上に第２電極１０２のＤＬＣ膜１１０ａを形成する点でのみ異なる。
【０１５７】
このような構成の実施形態４の電子放出素子１００ｃでは、実施形態３と同様に、ＤＬＣ膜１１０ａにより局所的な電子放出による局所的な加熱の影響を緩和でき、さらに硬いＤＬＣ膜１１０ａにおける内部応力を、複数の小孔１２１を有する電子放出制御絶縁膜１２０ａにより緩和することができ、第２電極１０２の剥離を抑制することができる。
【０１５８】
（実施形態５）
図５は、本発明の実施形態５による電子放出素子を説明する模式図であり、図５（ａ）は、この電子放出素子の断面構造を示し、図５（ｂ）は、この電子放出素子の電子放出面の形状を示している。
【０１５９】
この実施形態５による電子放出素子１００ｄは、実施形態３の電子放出素子１００ｂにおける第２電極１０２に代えて、第２電極１０２とは構造の異なる第２電極１０２ｂを備えたものであり、その他の構成は実施形態３の電子放出素子１００ｂと同一である。
【０１６０】
つまり、実施形態３の電子放出素子１００ｂでは、第２電極１０２の積層構造は、導電膜１１１の電子加速層側の面（内面）上にＤＬＣ膜１１０を積層した構造であるのに対し、この実施形態５の電子放出素子１００ｄでは、第２電極１０２ｂの積層構造は、導電膜１１１の内面、つまり導電膜１１１の電子加速層側の面上にＤＬＣ膜１１０に形成するとともに、導電膜１１１の外面上、つまり導電膜１１１の電子加速層とは反対側の面上にもＤＬＣ膜１１０ａを形成した構造である。
【０１６１】
つまり、図５に示すように、実施形態５では第２電極側の両面にＤＬＣ膜を形成している。ＤＬＣ膜は、３０〜５００Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率をもち、グラファイトの六角形環が広がる方向における値（１０００〜２０００Ｗ／ｍＫ）と比べると低いものの、高い熱伝導率をもつ。また、ＤＬＣ膜は非晶質であるためにその熱伝導に異方性はなく、等方的である。このため、放熱を効果的に行うことができる。また、ＤＬＣ膜の比抵抗は１Ｅ７Ω・ｃｍ〜１Ｅ９Ω・ｍが望ましいが、ＤＬＣ膜１１０と導電膜１１１とからなる第２電極全体としては、その電気抵抗率が１Ｅ８Ω・ｃｍ以上と高いことが望ましく、この場合は、電子を放出する第２電極に抵抗体としての機能を、場合によっては絶縁体としての機能を持たせることができる。
【０１６２】
この実施形態５の電子放出素子１００ｄにおけるその他の構成は、実施形態３のものと同一である。また、この実施形態５の電子放出素子１００ｄと、この電子放出素子１００ｄの第１電極１０１と第２電極１０２ｂとの間に電圧を印加する電源部１１とにより電子放出装置１０ｄが構成されている。
【０１６３】
また、この実施形態５の電子放出素子１００ｄの製造方法は、実施形態３の電子放出素子の製造方法とは、電子加速層１０３上にＤＬＣ膜１１０を形成し、さらに、ＤＬＣ膜１１０上に第２電極１０２の導電膜１１１を形成した後に、この導電膜１１１上にＤＬＣ膜１１０ａを形成する点でのみ異なる。
【０１６４】
このような構成の実施形態５の電子放出素子１００ｄでは、実施形態３と同様に、ＤＬＣ膜１１０および１１０ａにより局所的な電子放出による局所的な加熱の影響を緩和でき、さらに硬いＤＬＣ膜により生ずる素子内部の応力を、複数の小孔を有する電子放出制御絶縁膜１２０ａにより緩和することができ、第２電極１０２ｂの剥離を抑制することができる。
【０１６５】
〔電子放出装置の応用例〕
さらに、上記各実施形態の電子放出装置は、光源としての自発光デバイス、この自発光デバイスを光源として備えた画像表示装置、被冷却体の冷却を促進するためのイオン風発生装置、感光体を帯電させる帯電装置、その帯電装置を備えた画像形成装置、空気清浄装置、空気調和装置、空気加湿装置、空気除湿装置、送風装置、換気装置等の主要部に用いることができる。
【０１６６】
以下、本発明の電子放出装置を用いた応用装置を実施形態６から実施形態１６として説明する。
【０１６７】
（実施形態６）
図６は、本発明の実施形態６による自発光デバイスを説明する模式図であり、この自発光デバイスの断面構造を示している。
【０１６８】
この実施形態６の自発光デバイス２００は、実施形態３の電子放出装置１０ｂと、この電子放出装置１０ｂにおける電子放出素子１００ｂを構成する第２電極１０２上に形成した蛍光体層２０１とを備えている。
【０１６９】
蛍光体層２０１としては、赤、緑、青色発光に対応した電子励起タイプの蛍光体材料を用いており、例えば、赤色ではＹ２Ｏ３：Ｅｕ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ、緑色ではＺｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ、ＢａＡｌ１２Ｏ１９：Ｍｎ、青色ではＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋等が用いられる。また、蛍光体層２０１を成膜するに当たっては、バインダーとなるエポキシ系樹脂と蛍光体微粒子との混練物を用い、バーコーター法、滴下法、スピンコート法等の公知技術によって形成することができる。
【０１７０】
このような構成の自発光デバイス２００では、電子放出素子１００ｂの第１電極１０１と第２電極１０２との間に電源部１１により電圧を印加することにより、電子放出素子１００ｂの第２電極１０２の表面から放出された電子が蛍光体層２０１に入射して蛍光体粒子に衝突することにより、蛍光体層２０１が発光する。
【０１７１】
このように自発光デバイス２００において、蛍光体層２０１に電子を入射させる電子放出素子として実施形態３の電子放出素子１００ｂを用いることにより、安定な面発光を実現でき、しかも素子の長寿命化を図ることができる。
【０１７２】
（実施形態７）
図７は、本発明の実施形態７による画像表示装置を説明する模式図であり、この画像表示装置の断面構造を示している。
【０１７３】
この実施形態７による画像表示装置１０００は、図６で示した自発光デバイス２００と、液晶パネル２１０とを備えている。この画像表示装置１０００において、自発光デバイス２００は液晶パネル２１０の後方にバックライトとして配置されている。
【０１７４】
したがって、この場合、自発光デバイス２００で白い発光色が得られるように、発光体層２０１には赤、緑および青の蛍光体微粒子を重量混合比１：１：１で混合したものを用いる。
【０１７５】
なお、液晶パネル２１０には、従来公知のもの、例えば、バックライト側から、偏光板、ガラス基板、透明電極、配向膜、液晶、配向膜、透明電極、保護膜、カラーフィルター、ガラス基板および偏光板が積層されたパネル構造を有するものを用いることができる。
【０１７６】
このように液晶パネル２１０を含む画像形成装置１０００において、実施形態３の電子放出装置１０ｂを含む自発光デバイス２００をバックライトとして用いることにより、安定な面発光を実現でき、しかも素子の長寿命化を図ることができる。
【０１７７】
（実施形態８）
図８は、本発明の実施形態８による空気清浄化装置を説明する断面図である。
【０１７８】
この実施形態８の空気清浄化装置２００１は、浮遊微粒子を含む汚染空気Ａ１ａを吸入し、汚染空気Ａ１ａから浮遊微粒子を除去して清浄化空気Ａ２ａを排出する装置である。空気清浄化装置２００１は、その内部の空気流通路Ａｐ内に電界を発生させて空気流通路Ａｐを通過する汚染空気Ａ１ａに含まれる浮遊微粒子を帯電させる電界内通過処理装置と、帯電した汚染微粒子を静電吸着により回収する採取処理装置３００と、空気流通路Ａｐ内に空気流を発生させる回転羽式空気流発生器２１とを有している。この電界内通過処理装置には実施形態３の電子放出装置１０ｂが用いられている。
【０１７９】
ここで、空気流通路Ａｐは、対向するように配置された電子放出装置（電界内通過処理装置）１０ｂと採取処理装置３００との間に形成されており、電界内通過処理装置としての電子放出装置１０ｂを構成する電子放出素子１００ｂは、電子ｅを放出する第２電極１０２の表面が採取処理装置３００の表面に対向するように配置されている。
【０１８０】
この採取処理装置３００は、電子放出素子１００ｂの第２電極１０２に対応するよう配置された採取電極３０２と、採取電極３０２を保持する電極支持部材３０１と、採取電極３０２に、帯電した汚染微粒子あるいは空気分子が吸着するように採取電極３０２に電圧を印加する採取用電源１２とを有している。また、採取処理装置３００と電子放出素子１００ｂとは、個別に電源に繋がっているが、これらの電源により採取処理装置３００と電子放出素子１００ｂとの間に電圧が印加されるようになっている。
【０１８１】
このような空気清浄化装置２００１では、回転羽式空気流発生器２１を回転させて汚染空気Ａ１を空気清浄化装置２００１内に導入する。電源部１１により電子放出素子１００ｂの第１電極１０１と第２電極１０２との間に電圧を印加すると、電子放出素子１００ｂの第２電極１０２の表面から電子ｅが放出される。この電子ｅが、採取処理装置３００と電子放出素子１００ｂとの離間部（空気流通路Ａｐ）に存在する浮遊微粒子を含む汚染空気分子に衝突あるいは付着する。この衝突あるいは付着により、浮遊微粒子を含む空気分子がイオン化される。イオン化された浮遊微粒子を含む空気分子が、図８中の矢印の方向に従って、つまり、電源１２により採取処理装置３００と電子放出素子１００ｂとの間に生ずる電界に沿って移動することにより、イオン風が発生する。そして、そのイオンが採取処理装置３００に到達することにより、浮遊微粒子を含む空気分子が捕集される。これにより吸入された汚染空気Ａ１に含まれる汚染微粒子が空気清浄化装置２００１により回収されて清浄化される。
【０１８２】
なお、この空気清浄化装置２００１では、イオンが採取処理装置３００に到達するため、採取処理装置はチャージアップする。従って、この空気清浄化装置２００１では、このチャージアップを抑制するために、電極支持部材３０１にアースを接続してもよい。
【０１８３】
また、電子放出素子１００ｂと採取処理装置３００の表面との離間部へは、図示しないエアフィルタを介して汚染空気Ａ１を流入させるようにしてもよい。
【０１８４】
（実施形態９）
図９（ａ）は、本発明の実施形態９による換気装置を説明する模式図であり、この換気装置の内部の構造を示している。
【０１８５】
この実施形態９の換気装置２００２は、例えば、エレベータなどの狭い室内の換気を行う装置であり、その筐体２００２ａには、外気Ａ１を吸入するための吸入口３０ａおよび吸入した外気Ａ２を室内に噴出すための噴出口３０ｂが形成されている。筐体２００２ａには、吸入口３０ａから噴出口３０ｂにいたる空気流路Ａｐが形成されている。この空気流路Ａｐ内には、空気流を発生する回転式空気流発生器２２が取り付けられており、また空気流路Ａｐの途中には、この空気流路Ａｐに向けて電子を放出する電子放出装置として、実施形態３の電子放出素子１０ｂが設けられている。
【０１８６】
この換気装置２００２では、回転式空気流発生器２２の駆動により空気流路Ａｐ内に吸入口３０ａから噴出口３０ｂに向かう空気流が発生する。これにより、外気Ａ１が換気装置２００２に吸入され、吸入された外気が空気流路Ａｐを移動して噴出口３０ｂから噴出される。このとき、空気流路Ａｐの噴出口３０ｂの近傍では、電子放出装置１０ｂにより電子ｅが空気流路Ａｐ内に放出されており、電子の衝突によりイオン化した空気の分子が噴出口３０ｂから吹き出される。
【０１８７】
これにより噴出された空気はイオンを含んだものとなり、室内の殺菌や消臭を行うことができる。
【０１８８】
（実施形態１０）
図９（ｂ）は、本発明の実施形態１０による空気調和装置を説明する図であり、この空気調和装置の内部の構造を示している。
【０１８９】
この実施形態１０の空気調和装置２００３は、室内の冷暖房に用いるエアーコンディショナーであり、この空気調和装置２００３は、図９（ａ）に示す換気装置２００２において、空気通路の吸入口３０ａの近傍位置に配置された熱交換器４００を備えたものであり、その他の構成は、実施形態３の換気装置２００２と同一である。
【０１９０】
この空気調和装置２００３では、回転式空気流発生器２２の駆動により空気流路Ａｐ内に吸入口３０ａから噴出口３０ｂに向かう空気流が発生する。これにより吸入口３０ａから吸入された外気は、運転モードに応じて熱交換器４００により冷却あるいは加熱され、さらに、電子放出装置１０ｂから放出された電子とともに噴出口３０ｂから噴出される。
【０１９１】
これにより、室内の冷暖房中に、イオンを含んだ冷気あるいは暖気により室内の殺菌や消臭などを行うことができる。
【０１９２】
なお、実施形態１０では、空気調和装置として温度調整処理を行うものを示したが、空気調和装置は、室内の温度に加えて、室内の湿度および室内の空気の清浄度の調整を行うものであってもよく、このような空気調和装置においても、空気流路Ａｐの途中に、この空気流路Ａｐに向けて電子を放出する電子放出装置として実施形態３の電子放出素子１０ｂを設けることにより、少なくとも温度、湿度、および清浄度の調整処理を施した空気をイオンとともに室内に排出することができる。
【０１９３】
（実施形態１１）
図１０（ａ）は、本発明の実施形態１１による空気加湿装置を説明する模式図であり、この空気加湿装置の内部の構造を示している。
【０１９４】
この実施形態１１による空気加湿装置３００１は、その筐体３００３ａの一部に水を溜めるタンク５０２が取り付けられており、そのタンク５０２の底部には水を排出する排出口５０２ａが形成されている。また、筐体３００１ａの底部には、水を霧状態にして噴出させる超音波振動子５０１が取り付けられている。また、筐体３００１ａの側壁には実施形態３の電子放出装置１０ｂが取り付けられており、霧状態の水Ｗが電子放出装置１０ｂから放出された電子ｅとともに空気加湿装置３００１から放出されるようになっている。
【０１９５】
これにより、室内の加湿中に、イオンを含んだ霧状態の水により室内の殺菌や消臭などを行うことができる。
【０１９６】
（実施形態１２）
図１０（ｂ）は、本発明の実施形態１２による空気除湿装置を説明する模式図であり、この空気除湿装置の内部の構造を示している。
【０１９７】
この実施形態１２の空気除湿装置３００２は、その筐体３００２ａには、空気Ａ１を吸入するための吸入口４０ａおよび吸入した空気Ａ２を室内に噴出すための噴出口４０ｂが形成されている。筐体３００２ａには、吸入口４０ａから噴出口４０ｂにいたる空気流路Ａｐが形成されている。この空気流路Ａｐ内には、空気流を発生する空気流発生器２３が取り付けられており、また空気流路Ａｐの途中には、この空気流路Ａｐに向けて電子を放出する電子放出装置として、実施形態３の電子放出装置１０ｂが取り付けられている。
【０１９８】
この空気除湿装置３００２では、空気流発生器２３の駆動により空気流路Ａｐ内に吸入口４０ａから噴出口４０ｂに向かう空気流が発生する。これにより吸入口４０ａから吸入された空気Ａ１は、熱交換器４０１により除湿され、除湿された空気Ａ２が、電子放出装置１０ｂから放出された電子ｅとともに噴出口４０ｂから噴出される。
【０１９９】
これにより、室内の除湿中にイオンを含んだ除湿された空気Ａ２により室内の殺菌や消臭などを行うことができる。
【０２００】
（実施形態１３）
図１０（ｃ）は、本発明の実施形態１３による送風装置を説明する模式図であり、この送風装置の内部の構造を示している。
【０２０１】
この実施形態１３の送風装置３００３は、例えば、ヘアードライヤであり、本体部６０１と本体部６０１に取り付けられた把持部６０２とを有し、本体部６０１には空気通路が形成されている。この本体部６０１は、空気通路の一端に設けられ、空気Ａ１を吸入するためのファン２４と、空気通路の他端側に設けられ、イオンを発生するイオン発生装置とを有し、吸入された空気Ａ２を空気通路の他端側の噴出口６０１ａからイオンとともに噴出すようになっている。また、この送風装置３００３では、イオン発生装置には実施形態３の電子放出装置１０ｂが用いられている。
【０２０２】
このようなヘアードライヤでは、頭髪を乾かす際にイオンにより殺菌したり消臭したりすることができる。
【０２０３】
（実施形態１４）
図１１は、本発明の実施形態１４による帯電装置を説明する断面図であり、この帯電装置の断面構造を示している。
【０２０４】
この帯電装置４０００は、電子写真方式の画像形成装置を構成する、露光パターンにより潜像を描画するための感光体７０１を被帯電体として帯電させるものであり、実施形態３の電子放出装置１０ｂを、その電子放出素子１００ｂの第２電極１０２の表面が感光体７０１に対向するように感光体７０１に対して配置したものである。ここで、帯電装置として用いる電子放出装置１０ｂの電子放出素子１００ｂは、感光体７０１から、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置されることが好ましい。また、電子放出素子１００ｂへの印加電圧は２５Ｖ程度が好ましく、電子放出素子１００ｂにおける電子加速層１０３は、例えば、２５Ｖの電圧印加で、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるように構成されていればよい。
【０２０５】
なお、画像形成装置における帯電装置以外の構成は、公知の一般的な画像形成装置におけるものを用いることができる。
【０２０６】
この帯電装置４０００では、電子放出装置１０ｂの電源部１１により電子放出素子１００ｂの第１電極１０１と第２電極１０２との間に電圧を印加することにより、第２電極１０２の表面から感光体７０１に向けて電子ｅが放出される。これにより感光体７０１は電子ｅを受け取って帯電する。
【０２０７】
この実施形態１４の帯電装置として用いられる電子放出装置１０ｂは、大気中で動作しても放電を伴わず、従って帯電装置からのオゾンの発生はない。
【０２０８】
つまり、オゾンは人体に有害であり、環境に対する各種規格で規制されている他、機外に放出されなくとも機内の有機材料、例えば、感光体やベルトなどを酸化し劣化させてしまうが、本実施形態１４のように、画像形成装置の帯電装置４０００として実施形態３の電子放出装置１０ｂを用いることで、上記のような帯電装置からのオゾンの発生に起因する問題を解消できる。
【０２０９】
また、この電子放出素子１００ｂは電子放出量が向上しているため、帯電装置によって感光体を効率よく帯電することができる。さらに、この電子放出素子１００ｂが同一基板に複数形成された電子放出装置を帯電装置として用いることにより、帯電装置は、線状電子源としてではなく、面電子源として構成されるので、感光体の回転方向へも幅を持って感光体を帯電することができる。つまり、感光体の表面を帯電させるための領域を感光体の回転方向に沿った広い範囲に渡って確保することでき、言い換えると、感光体のある箇所への帯電機会を多く稼ぐことができる。よって、この実施形態１４の帯電装置は、感光体を線状に帯電させるワイヤ電子放出素子などと比べ、感光体の表面での均一な帯電を可能とする。また、この実施形態１４の帯電装置は、数ｋＶの電圧印加が必要なコロナ放電器と比べて、１０Ｖ程度と印加電圧が格段に低くてすむという利点を有する。
【０２１０】
また、この実施形態１４の帯電装置によれば、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質を発生させることなく、長期間安定して被帯電体である感光体を帯電させることができる。
【０２１１】
（実施形態１５）
図１２は、本発明の実施形態１５によるイオン風発生装置を示す模式図であり、このイオン風発生装置の断面構造を示している。
【０２１２】
この実施形態１５によるイオン風発生装置５００１は、被冷却体８００を冷却する冷却装置５０００を構成しており、実施形態３の電子放出装置１０ｂからなる。ここで、電子放出装置１０ｂは、その電子放出素子１００ｂの第２電極１０２の表面が被冷却体８００の表面に対して鋭角をなすように被冷却体８００上に配置されている。また、被冷却体８００は電気的に接地されている。なお、冷却装置５０００は、被冷却体８００を空冷するための空気流Ａ１を被冷却体８００上に送るファン２５を有している。
【０２１３】
このような冷却装置５０００では、ファン２５により空冷用の空気流Ａ１が被冷却体８００上に送り込まれると同時に、電子放出装置（イオン風発生装置）１０ｂを構成する電子放出素子１００ｂの第２電極１０２の表面から被冷却体に向かって電子ｅが放出されることにより、被冷却体８００上にイオン風を発生させて被冷却体を効果的に冷却することができる。
【０２１４】
つまり、従来、ファンのみで被冷却体の表面に風を送っても、その表面に最も近い空気分子は留まって動かないという所謂ノースリップ効果が発生するため、被冷却体の表面の冷却効果が低かった。
【０２１５】
これに対し、ファン２５に加えてイオン風発生装置である電子放出装置１０ｂを用いることにより、電子放出素子１００ｂからの電子ｅが空気分子と衝突してイオンを生じ、さらにこのイオンが周りの空気分子に衝突することによって、空気分子やイオンが移動することとなって、イオン風が発生する。
【０２１６】
このとき、イオンは電位差もしくは電界によって被冷却体８００の表面まで運ばれ、被冷却体８００との間に働く電界である鏡像力により、熱い分子と冷たいイオンが交換されるため、被冷却体８００の表面が冷却される。この場合、例えばイオン風発生装置が単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子を放出するように、電子放出素子１００ｂに印加する電圧を１８Ｖ程度に設定することが好ましい。なお、被冷却体としては、半導体素子とそれらを搭載した装置等、具体的にはコンピューターや携情報端末のＣＰＵやＬＥＤ等が挙げられる。
【０２１７】
また、このイオン風発生装置によれば、放電を伴わず、オゾンやＮＯｘを始めとする有害な物質の発生がなく、被冷却体表面でのスリップ効果を利用することにより、被冷却体表面を高効率で冷却することができる。
【０２１８】
また、この実施形態１５では、電子放出装置１０ｂは、その電子放出素子１００ｂの第２電極１０２の表面と被冷却体８００の表面との距離が空気の流入側で近くなるように、被冷却体８００の表面に対して傾斜させて配置されているので、被冷却体８００の空気の流入側部分を効率よく冷却することができる。
【０２１９】
（実施形態１６）
図１３は、本発明の実施形態１６による冷蔵装置を示す模式図であり、この冷蔵装置の断面構造を示している。
【０２２０】
この実施形態１６による冷蔵装置６０００は、物品を室温より低い温度で保存する装置である。この冷蔵装置６０００は、物品９１１〜９１３を保存する保存庫６０００ａと、保存庫６０００ａ内の雰囲気を冷却する冷却器９００と、電子を放出する電子放出装置１０ｂとを有している。ここで、電子放出装置１０ｂは実施形態３の電子放出装置と同一のものである。また、この冷蔵装置６０００は、保存庫６０００ａ内に設けられ、物品９１１〜９１３を載置する導電性の物品載置台９１０と、保存庫６０００ａ内の雰囲気を、矢印Ｂ１およびＢ２で示すように、熱交換器９００と通って物品載置台９１０上を通過する経路を含む循環経路内で循環させる雰囲気循環用のファン２５とを有している。
【０２２１】
このような冷蔵装置６０００では、ファン２５により保存庫６０００ａ内の雰囲気が矢印Ｂ１およびＢ２で示すように循環させると同時に、電子放出装置１０ｂを駆動して電子放出素子１００ｂの第２電極１０２の表面から、物品載置台９１０上の物品９１１〜９１３に向けて電子ｅが放出されると、保存庫６０００ａ内で冷却された雰囲気とともにイオンが循環することとなる。
【０２２２】
これにより、冷蔵保存されている物品９１１〜９１３の殺菌や滅菌などの処理を行うことができる。
【０２２３】
なお、上記実施形態６ないし１６の電子放出装置を応用した応用装置では、電子放出装置として実施形態３による電子放出装置１０ｂを用いたものを示しているが、このような応用装置で用いる電子放出装置は、実施形態３のものに限定されず、実施形態１、２、４、５のいずれかの電子放出装置を用いてもよい。
【０２２４】
また、これらの応用装置で用いる電子放出装置は、単体の電子放出素子のみから構成されたものに限定されず、複数の電子放出素子から構成されたものでもよい。例えば、複数の電子放出素子を平面体上に配置してなる電子放出装置を、上記応用装置に用いてもよい。この場合は、電子放出装置を構成する複数の電子放出素子において、第１電極を共通化してもよい。
【０２２５】
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【０２２６】
本発明は、電子放出素子の分野において、電子の放出強度が局所的に強くなるのを抑えることができ、これにより局所的な電子の放出に伴う局所的な加熱による電極の破壊を抑制することができ、引いては素子の長寿命化を図ることができる電子放出素子を実現することができる。
【符号の説明】
【０２２７】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  電子放出装置
１１  電源部
２３  空気流発生器
２４  ファン
２５  雰囲気循環用ファン
３０ａ、４０ａ、６０１ａ  吸入口
３０ｂ、４０ｂ  噴出口
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ  電子放出素子
１０１  第１電極
１０２、１０２ａ、１０２ｂ  第２電極
１０３  電子加速層
１０３ａ  絶縁性微粒子
１０３ｂ  導電性微粒子
１１０、１１０ａ  非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）
１１１  導電膜
１２０、１２０ａ  電子放出制御絶縁膜
２００  自発光デバイス
２１０  液晶パネル
３００  採取処理装置
５０１  超音波振動子
５０２  タンク
６０１  本体部
６０２  把持部
７０１  感光体
８００  被冷却体
９００  冷却器
９１０  物品載置台
９１１〜９１３  物品
１０００  画像形成装置
２００１  空気清浄化装置
２００２  換気装置
２００２ａ、３００１ａ、３００２ａ  筐体
２００３  空気調和装置
３００１  空気加湿装置
３００２  空気除湿装置
３００３  送風装置
４０００  帯電装置
５０００  冷却装置
５００１  イオン風発生装置
６０００  冷蔵装置
６０００ａ  保存庫
Ａ１、Ａ２  空気
Ａ１ａ  汚染空気
Ａ２ａ  清浄化空気
Ａｐ  空気流路
ｅ  電子
【図１】
2015018637.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015018637.tif 000007
【図６】
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【図７】
2015018637.tif 000009
【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】
2015018637.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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