(57)【要約】【課題】圧電材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができるようにする。【解決手段】電子放出素子１０Ａは、基板１２上に形成されたエミッタ部１４と、該エミッタ部１４の一方の面に形成されたカソード電極１６と、同じくエミッタ部１４の一方の面に形成され、カソード電極１６と共にスリット１８を形成するアノード電極２０とを有する。カソード電極１６とアノード電極２０間にはパルス発生源２２からの駆動電圧Ｖａが印加され、アノード電極２０は接地とされている。エミッタ部１４の上方のうち、前記スリット１８に対向した位置にコレクタ電極２４が配置される。なお、コレクタ電極２４にはバイアス電圧源１０２（バイアス電圧Ｖｃ）が抵抗Ｒ３を介して接続される。そして、エミッタ部１４の構成材料を圧電材料としている。【選択図】図１
2004228063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料にて構成されたエミッタ部と、
前記エミッタ部に接して形成された第１の電極及び第２の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法において、
前記エミッタ部を一方向に分極させた後、
前記第１及び第２の電極を介して前記エミッタ部に抗電界を超える電界を印加して、前記エミッタ部を分極反転させることによって電子放出させることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項２】
請求項１記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記エミッタ部に、一定時間内に抗電界を超える電界を印加することによって電子放出させることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電子放出素子の電子放出方法において、
第１の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも高い第１の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、
第２の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも低い第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極反転させることによって電子放出させることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項４】
請求項３記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第２の電圧のレベルを制御することによって、前記第２の期間の開始時点から一定時間内に、前記エミッタ部に抗電界を超える電界を印加することを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項５】
反強誘電体材料にて構成されたエミッタ部と、
前記エミッタ部に接して形成された第１の電極及び第２の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法において、
前記第１及び第２の電極を介して前記エミッタ部に電界を印加して前記エミッタ部を強誘電体に相転移させて、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項６】
請求項５記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記エミッタ部に対して、一定時間内に前記エミッタ部が強誘電体に相転移し、前記エミッタ部を分極変化させる程度の電界を印加することによって電子放出させることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の電子放出素子の電子放出方法において、
第１の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも高い第１の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、
第２の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも低い第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を強誘電体に相転移させて、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項８】
請求項７記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第１の期間に前記第１の電極と前記第２の電極間に印加する前記第１の電圧を０Ｖとして、前記エミッタ部を予め無分極状態にしておくことを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項９】
請求項７又は８記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第２の電圧のレベルを制御することによって、前記第２の期間の開始時点から一定時間内に前記エミッタ部を強誘電体に相転移させて、前記エミッタ部を分極変化させる程度の電界を印加することを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の電子放出素子の電子放出方法において、前記第２の期間に、前記第２の電圧が電子放出に必要なレベルに達する動作と、電子放出時の前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧降下レベルが前記エミッタ部の分極をリセットするしきい値レベルに達する動作とからなる一連のサイクルが連続して発生するように、前記第２の期間の開始時点に印加される前記第２の電圧のレベルを制御することを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項１１】
電歪材料にて構成されたエミッタ部と、
前記エミッタ部に接して形成された第１の電極及び第２の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法において、
前記第１及び第２の電極を介して前記エミッタ部に電界を印加して前記エミッタ部での分極量を制御することによって電子放出させることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の電子放出素子の電子放出方法において、
第１の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも高い第１の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、
第２の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも低い第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第１の期間に前記第１の電極と前記第２の電極間に印加する前記第１の電圧を０Ｖとして、前記エミッタ部を予め無分極状態にしておくことを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項１４】
請求項１２又は１３記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第２の電圧のレベルを制御することによって、前記第２の期間の開始時点から一定時間内に生じる前記エミッタ部の分極量を制御し、電子放出量を制御することを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記電子放出後に、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧の微振動で電子放出の持続が発生するように、前記第２の期間の開始時点に印加される前記第２の電圧のレベルを制御することを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第１の電極は、前記エミッタ部に接して形成され、
前記第２の電極は、前記エミッタ部に接して形成され、かつ、前記第１の電極と共にスリットを形成することを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記スリットの幅をｄ、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧をＶａｋとしたとき、前記エミッタ部に印加され、かつ、Ｅ＝Ｖａｋ／ｄで表される電界Ｅで分極反転もしくは分極変化が行われることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項１８】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第１の電極は、前記エミッタ部の第１の面に形成され、
前記第２の電極は、前記エミッタ部の第２の面に形成されていることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第１の電極と前記第２の電極に挟まれた前記エミッタ部の厚さをｈ、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧をＶａｋとしたとき、前記エミッタ部に印加され、かつ、Ｅ＝Ｖａｋ／ｈで表される電界Ｅで分極反転もしくは分極変化が行われることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項２０】
請求項１７又は１９記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記電圧Ｖａｋが前記エミッタ部の絶縁破壊電圧未満であることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか１項に記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第１の電極と前記第２の電極間に前記電界を印加することによって、少なくとも前記エミッタ部の一部が分極反転もしくは分極変化され、前記第２の電極よりも電位が低い前記第１の電極の近傍から電子が放出されることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記第１の電極と前記第２の電極間に前記電界を印加することによって、少なくとも前記エミッタ部の一部が分極反転もしくは分極変化され、この分極反転もしくは分極変化によって、前記第１の電極の周辺に双極子モーメントの正極側が配されることで、前記第１の電極から１次電子が引き出され、
前記第１の電極から引き出された１次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から２次電子が放出されることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の電子放出素子の電子放出方法において、
前記電子放出素子は、前記第１の電極、前記エミッタ部及び真空雰囲気の３重点を有し、
前記第１の電極のうち、３重点近傍の部分から１次電子が引き出され、
前記引き出された１次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から２次電子が放出されることを特徴とする電子放出素子の電子放出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エミッタ部に形成された第１の電極と第２の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、電子放出素子は、カソード電極及びアノード電極を有し、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）やバックライトのような種々のアプリケーションに適用されている。ＦＥＤに適用する場合、複数の電子放出素子を２次元的に配列し、これら電子放出素子に対する複数の蛍光体を、所定の間隔をもってそれぞれ配置するようにしている。
【０００３】
この電子放出素子の従来例としては、例えば特許文献１〜５があるが、いずれもエミッタ部に誘電体を用いていないため、対向電極間にフォーミング加工もしくは微細加工が必要となったり、電子放出のために高電圧を印加しなければならず、また、パネル製作工程が複雑で製造コストが高くなるという問題がある。
【０００４】
そこで、エミッタ部を誘電体で構成することが考えられているが、誘電体からの電子放出として以下の非特許文献１〜３にて諸説が述べられている。
【０００５】
【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
【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  ｔｈｅ  ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  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）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の電子放出素子においては、誘電体の表面、誘電体と上部電極との界面、誘電体内部の欠陥準位に拘束された電子を誘電体の分極反転によって放出するようにしている。つまり、誘電体にて分極反転さえ起きれば、印加電圧パルスの電圧レベルに依存せず、放出電子量はほぼ一定となる。
【０００７】
しかしながら、電子放出が安定せず、電子放出回数はたかだか数万回程度までであり、実用性に乏しいという問題がある。このように、従来においては、誘電体にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子の効果を見出すまでには至っていない。
【０００８】
しかも、エミッタ部を圧電材料で構成した場合、反強誘電体材料で構成した場合、電歪材料で構成した場合など、材料別での電子放出特性を探求したものはない。
【０００９】
本発明は、圧電材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる電子放出素子の電子放出方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、反強誘電体材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる電子放出素子の電子放出方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、電歪材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる電子放出素子の電子放出方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電子放出素子の電子放出方法は、圧電材料にて構成されたエミッタ部と、前記エミッタ部に接して形成された第１の電極及び第２の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法において、前記エミッタ部を一方向に分極させた後、前記第１及び第２の電極を介して前記エミッタ部に抗電界を超える電界を印加して、前記エミッタ部を分極反転させることによって電子放出させることを特徴とする（請求項１）。この場合、前記エミッタ部に、一定時間内に抗電界を超える電界を印加することによって電子放出させるようにしてもよい（請求項２）。
【００１３】
これにより、まず、第１の電極と第２の電極間に電界が印加されることによって、少なくともエミッタ部の一部が分極反転され、前記第２の電極よりも電位が低い前記第１の電極の近傍から電子が放出されることになる（請求項２１）。即ち、この分極反転によって、第１の電極とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、前記第１の電極から１次電子が引き出され、前記第１の電極から引き出された１次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から２次電子が放出される（請求項２２）。
【００１４】
電子放出素子が前記第１の電極、前記エミッタ部及び真空雰囲気の３重点を有する場合には、前記第１の電極のうち、３重点近傍の部分から１次電子が引き出され、前記引き出された１次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から２次電子が放出される（請求項２３）。ここで述べる２次電子は、１次電子のクーロン衝突でエネルギーを得て、エミッタ部の外へ飛び出した固体内電子とオージェ電子と、１次電子がエミッタ部の表面近くで散乱したもの（反射電子）の全てを含む。なお、前記第１の電極の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該第１の電極とエミッタ部との界面から電子が放出されることになる。
【００１５】
このような原理によって電子が放出されることから、電子放出が安定して行われ、電子放出の回数も２０億回以上を実現でき、実用性に富む。しかも、放出電子量は、第１の電極と第２の電極間に印加される電圧のレベルにほぼ比例して増加することから、放出電子量を容易に制御できるという利点もある。この作用は後述する各発明においても同様である。
【００１６】
そして、この発明では、一方向に分極されたエミッタ部に対し、一定時間内に抗電界を超える電界を印加することで、効率よく電子が放出されることになり、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【００１７】
電子放出が行われる電界は、抗電界を超えて分極反転がほぼ完了するレベルであって、これらの電界はほぼ一定である。つまり、デジタル的な電子放出特性となる。また、電子放出が行われる電界は、抗電界に依存するため、抗電界が小さいほど駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【００１８】
また、本発明では、第１の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも高い第１の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、第２の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも低い第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極反転させることによって電子放出させるようにしてもよい（請求項３）。
【００１９】
また、前記第２の電圧のレベルを制御することによって、前記第２の期間の開始時点から一定時間内に、前記エミッタ部に抗電界を超える電界を印加するようにしてもよい（請求項４）。この場合、第２の電圧のレベル制御とは、前記第２の電圧がパルス状であって、かつ、立ち下がりがランプ状であれば、例えば前記第２の電圧の最大振幅や偏移時間（第２の期間の開始時点から最大振幅に達するまでの時間）を制御することであり、前記第２の電圧が矩形パルスであれば、最大振幅のみを制御することなどである。また、前記一定時間は、小さければ小さいほど電子放出し易いが、好ましくは１ｍｓｅｃ以内、より好ましくは１０μｓｅｃ以内であるとよい。
【００２０】
また、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法は、反強誘電体材料にて構成されたエミッタ部と、前記エミッタ部に接して形成された第１の電極及び第２の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法において、前記第１及び第２の電極を介して前記エミッタ部に電界を印加して前記エミッタ部を強誘電体に相転移させて、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させることを特徴とする（請求項５）。
【００２１】
この場合、前記エミッタ部に対して、一定時間内に前記エミッタ部が強誘電体に相転移し、前記エミッタ部を分極変化させる程度の電界を印加することによって電子放出させるようにしてもよい（請求項６）。
【００２２】
そして、まず、第１の電極と第２の電極間に電界が印加されることによって、少なくともエミッタ部の一部が分極変化され、前記第２の電極よりも電位が低い前記第１の電極の近傍から電子が放出されることになる。即ち、この分極変化によって、第１の電極とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、前記第１の電極から１次電子が引き出され、前記第１の電極から引き出された１次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から２次電子が放出される。なお、前記第１の電極の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該第１の電極とエミッタ部との界面から電子が放出されることになる。
【００２３】
特に、前記エミッタ部に高速に電界を印加して前記エミッタ部を強誘電体に相転移させて、前記エミッタ部を分極させることによって、効率よく電子が放出されることになり、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【００２４】
電子放出が行われる電界は、分極反転（あるいは分極変化）がほぼ完了するレベルであって、これらの電界はほぼ一定である。つまり、この場合も、デジタル的な電子放出特性となる。また、電子放出が行われる電界は、エミッタ部が強誘電体に相転移する電界（強制相転移電界）に依存するため、該強制相転移電界が小さいほど駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【００２５】
また、本発明では、第１の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも高い第１の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、第２の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも低い第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を強誘電体に相転移させて、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させるようにしてもよい（請求項７）。
【００２６】
エミッタ部が反強誘電体材料の場合、第１の期間に印加する第１の電圧を０Ｖとして、前記エミッタ部を予め無分極状態としてもよい（請求項８）。これにより、第２の期間において、片側極性駆動での電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【００２７】
また、前記第２の電圧のレベルを制御することによって、前記第２の期間の開始時点から一定時間内に前記エミッタ部を強誘電体に相転移させて、前記エミッタ部を分極変化させる程度の電界を印加するようにしてもよい（請求項９）。
【００２８】
この場合、前記第２の電圧のレベル制御とは、前記第２の電圧がパルス状であって、かつ、立ち下がりがランプ状であれば、例えば前記第２の電圧の最大振幅や偏移時間を制御することであり、前記第２の電圧が矩形パルスであれば、最大振幅のみを制御することなどである。また、一定時間としては、好ましくは１０ｍｓｅｃ以内、より好ましくは１０μｓｅｃ以内であるとよい。
【００２９】
また、前記第２の期間に、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧が電子放出に必要なレベルに達する動作と、電子放出時の前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧降下レベルが前記エミッタ部の分極をリセットするしきい値レベルに達する動作とからなる一連のサイクルが連続して発生するように、前記第２の期間の開始時点に印加される前記第２の電圧のレベルを制御するようにしてもよい（請求項１０）。
【００３０】
反強誘電体材料が相転移によって強誘電体になった場合においては、電子放出される電圧レベルと分極がリセットされる電圧レベル（しきい値レベル）との電位差が小さい。従って、一旦、電子が放出されて、第１の電極と第２の電極間の電圧が降下すると、エミッタ部の分極が容易にリセットされ、疑似的に０Ｖが印加された状態になる。
【００３１】
しかし、この第２の期間では、第１の電極と第２の電極間に第２の電圧が印加されていることから、急速に第１の電極と第２の電極間の電圧が電子放出に必要なレベルに達し、電子放出がなされることになる。
【００３２】
従って、第２の期間に印加される第２の電圧のレベルを制御することによって、上述した一連の動作が連続して行われるようになる。つまり、第２の期間において、片側極性駆動での電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【００３３】
また、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法は、電歪材料にて構成されたエミッタ部と、前記エミッタ部に接して形成された第１の電極及び第２の電極とを有する電子放出素子の電子放出方法において、前記第１及び第２の電極を介して前記エミッタ部に電界を印加して前記エミッタ部での分極量を制御することによって電子放出させることを特徴とする（請求項１１）。
【００３４】
これにより、まず、第１の電極と第２の電極間に電界が印加されることによって、少なくともエミッタ部の一部が分極変化し、前記第２の電極よりも電位が低い前記第１の電極の近傍から電子が放出されることになる。即ち、この分極変化によって、第１の電極とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、前記第１の電極から１次電子が引き出され、前記第１の電極から引き出された１次電子が前記エミッタ部に衝突して、該エミッタ部から２次電子が放出される。なお、前記第１の電極の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該第１の電極とエミッタ部との界面から電子が放出されることになる。
【００３５】
この場合、エミッタ部での分極が電界の変化に応じて散漫的に起こるため、単位時間当たりの分極量が多いほど、電子放出量が多くなる。即ち、前記エミッタ部での分極量を制御することで、効率よく電子を放出することができることから、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【００３６】
そして、この発明において、第１の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも高い第１の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を予め一方向に分極させ、第２の期間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位よりも低い第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極間に印加して、前記エミッタ部を分極変化させることによって電子放出させるようにしてもよい（請求項１２）。
【００３７】
エミッタ部が電歪材料の場合、第１の期間に印加する第１の電圧を０Ｖとして、前記エミッタ部を予め無分極状態としてもよい（請求項１３）。これにより、第２の期間において、片側極性駆動での電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【００３８】
また、前記第２の電圧のレベルを制御することによって、前記第２の期間の開始時点から一定時間内に生じる前記エミッタ部の分極量を制御し、電子放出量を制御するようにしてもよい（請求項１４）。
【００３９】
この場合、前記第２の電圧のレベル制御とは、第２の電圧がパルス状であって、かつ、立ち下がりがランプ状であれば、例えば第２の電圧の最大振幅や偏移時間を制御することであり、前記第２の電圧が矩形パルスであれば、最大振幅のみを制御することなどである。また、一定時間としては、好ましくは１０ｍｓｅｃ以内、より好ましくは１０μｓｅｃ以内であるとよい。
【００４０】
また、前記電子放出後に、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧の微振動で電子放出の持続が発生するように、前記第２の期間の開始時点に印加される前記第２の電圧のレベルを制御するようにしてもよい（請求項１５）。
【００４１】
電歪材料の分極は、電界の変化に応じて散漫的に起こるため、上述したように、単位時間当たりの分極量が多いほど、電子放出量が多くなる。また、電子放出される電圧レベルと分極がリセットされる電圧レベル（しきい値レベル）との電位差が小さい。
【００４２】
従って、一旦、電子が放出されて、第１の電極と第２の電極間の電圧が降下すると、エミッタ部の分極が容易にリセットされ、疑似的に０Ｖが印加された状態になる。
【００４３】
しかし、この第２の期間では、第１の電極と第２の電極間に第２の電圧が印加されていることから、急速に第１の電極と第２の電極間の電圧が大きくなり、再び分極が行われていく。このとき、分極の変化が急速に進むため、最初の電子放出の際の電圧よりも低い電圧で電子放出が行われる。
【００４４】
２度目の電子放出が行われて、第１の電極と第２の電極間の電圧が降下すると、再びエミッタ部の分極が容易にリセットされ、その後、第１の電極と第２の電極間への第２の電圧の持続印加によって、第１の電極と第２の電極間の電圧が再度大きくなり、分極が行われていく。この場合も分極の変化が急速に進むため、２度目の電子放出の際の電圧とほぼ同じ電圧で電子放出が行われる。
【００４５】
つまり、第２の期間に印加される第２の電圧のレベルを制御することによって、前記第１の電極と第２の電極間の電圧が微振動することとなり、この微振動によって電子放出の持続化が可能となる。つまり、第２の期間において、片側極性駆動での電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【００４６】
そして、上述の各発明において、前記第１の電極を前記エミッタ部に接して形成し、前記第２の電極を前記エミッタ部に接して形成し、かつ、前記第１の電極と共にスリットを形成するようにしてもよい（請求項１６）。この場合、前記スリットの幅をｄ、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧をＶａｋとしたとき、前記エミッタ部に印加され、かつ、Ｅ＝Ｖａｋ／ｄで表される電界Ｅで分極反転もしくは分極変化が行われることとなる（請求項１７）。
【００４７】
また、上述の各発明において、前記第１の電極を前記エミッタ部の第１の面に形成し、前記第２の電極を前記エミッタ部の第２の面に形成するようにしてもよい（請求項１８）。この場合、前記第１の電極と前記第２の電極に挟まれた前記エミッタ部の厚さをｈ、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧をＶａｋとしたとき、前記エミッタ部に印加され、かつ、Ｅ＝Ｖａｋ／ｈで表される電界Ｅで分極反転もしくは分極変化が行われることになる（請求項１９）。
【００４８】
なお、上述の第１の電極と前記第２の電極間の電圧Ｖａｋは、前記エミッタ部の絶縁破壊電圧未満であることが好ましい（請求項２０）。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法の実施の形態例を図１〜図３０を参照しながら説明する。
【００５０】
まず、本実施の形態に係る電子放出素子は、ディスプレイとしての用途のほか、電子線照射装置、光源、ＬＥＤの代替用途、電子部品製造装置に適用することができる。
【００５１】
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。
【００５２】
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素子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。
【００５３】
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。
【００５４】
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などがある。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。他に、プリンタ用部品、つまり、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。
【００５５】
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。
【００５６】
そして、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａは、図１に示すように、基板１２上に形成されたエミッタ部１４と、該エミッタ部１４の一方の面に形成された第１の電極（カソード電極）１６と、同じくエミッタ部１４の一方の面に形成され、カソード電極１６と共にスリット１８を形成する第２の電極（アノード電極）２０とを有する。カソード電極１６とアノード電極２０間には、パルス発生源２２からの駆動電圧Ｖａが抵抗Ｒ１を介して印加される。なお、図１の例では、アノード電極２０をＧＮＤ（グランド）に接続して、該アノード電極２０の電位をゼロにした場合を示しているが、もちろん、ゼロ電位以外の電位にしてもかまわない。
【００５７】
そして、この電子放出素子１０Ａをディスプレイの画素として利用する場合は、エミッタ部１４の上方のうち、前記スリット１８に対向した位置に第３の電極（コレクタ電極）２４が配置され、該コレクタ電極２４には蛍光体２８が塗布される。なお、コレクタ電極２４にはバイアス電圧源１０２（バイアス電圧Ｖｃ）が抵抗Ｒ３を介して接続される。
【００５８】
また、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａは、当然のことながら、真空空間内に配置される。この電子放出素子１０Ａは、図１に示すように、電界集中ポイントＡ及びＢが存在するが、ポイントＡは、カソード電極１６／エミッタ部１４／真空が１つのポイントに存在する３重点を含むポイントとしても定義することができ、ポイントＢは、アノード電極２０／エミッタ部１４／真空が１つのポイントに存在する３重点を含むポイントとしても定義することができる。
【００５９】
そして、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。
【００６０】
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カソード電極１６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２４に到達する前に気体分子に衝突してしまい、コレクタ電位（Ｖｃ）で十分に加速した電子による蛍光体２８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。
【００６１】
一方、高真空では、電界集中ポイントＡ及びＢ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。
【００６２】
ここで、エミッタ部１４は誘電体にて構成される。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他に、ジルコン酸鉛、マク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更にランタン、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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他に、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。更に、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。
【００６６】
また、エミッタ部１４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１４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。
【００６７】
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１４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。
【００６８】
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、更に、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。
【００６９】
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、更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。
【００７０】
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。
【００７１】
エミッタ部１４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、更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。
【００７２】
また、この反強誘電体膜は、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。
【００７３】
更に、エミッタ部１４にタンタル酸ビスマス酸ストロンチウムを用いた場合、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。
【００７４】
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。これにより、エミッタ部１４を基板１２上に形成する際に有利となる。
【００７５】
また、エミッタ部１４に非鉛系の材料を使用する等により、エミッタ部１４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。
【００７６】
そして、基板１２の上にエミッタ部１４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。
【００７７】
この実施の形態においては、基板１２上に前記エミッタ部１４を形成するにあたっては、スクリーン印刷法やディッピング法、塗布法、電気泳動法等による厚膜形成法が好適に採用される。
【００７８】
これらの方法は、平均粒径０．０１〜５μｍ、好ましくは０．０５〜３μｍの圧電セラミックスの粒子を主成分とするペーストやスラリー、又はサスペンション、エマルジョン、ゾル等を用いて形成することができ、良好な圧電作動特性が得られるからである。
【００７９】
特に、電気泳動法は、膜を高い密度で、かつ、高い形状精度で形成することができることをはじめ、「電気化学および工業物理化学  Ｖｏｌ．５３，Ｎｏ．１（１９８５），ｐ６３〜６８  安斎和夫著」あるいは「第１回電気泳動法によるセラミックスの高次成形法  研究討論会  予稿集（１９９８），ｐ５〜６，ｐ２３〜２４」等の技術文献に記載されるような特徴を有する。また、圧電／電歪／反強誘電体をシート状に成形したもの、もしくはその積層体、もしくはこれらを他の支持基板に積層又は接着したものを用いてもよい。このように、要求精度や信頼性等を考慮して、適宜、方法を選択して用いるとよい。
【００８０】
ここで、カソード電極１６とアノード電極２０間のスリット１８の幅ｄの大きさについて説明すると、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧（パルス発生源２２から出力される駆動電圧Ｖａがカソード電極１６とアノード電極２０間に印加されることによって、該カソード電極１６とアノード電極２０間に現れる電圧）をＶａｋとしたとき、Ｅ＝Ｖａｋ／ｄで表される電界Ｅで分極反転が行われるように、前記幅ｄを設定することが好ましい。つまり、スリット１８の幅ｄが小さいほど、低電圧で分極反転が可能となり、低電圧駆動（例えば１００Ｖ未満）で電子放出が可能となる。ここで、エミッタ部１４の絶縁破壊電圧は、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍ以上有していることが好ましい。この例では、スリット１８の幅ｄを例えば７０μｍとしたとき、カソード電極１６とアノード電極２０間に−１００Ｖの駆動電圧を印加しても、エミッタ部１４のうち、スリット１８から露出する部分が絶縁破壊に至ることはない。
【００８１】
カソード電極１６は、以下に示す材料にて構成される。即ち、スパッタ率が小さく、真空中での蒸発温度が大きい導体が好ましい。例えば、Ａｒ＋で６００Ｖにおけるスパッタ率が２．０以下で、蒸気圧１．３×１０−３Ｐａとなる温度が１８００Ｋ以上のものが好ましく、白金、モリブデン、タングステン等がこれにあたる。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。更に好適には、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、電極として、カーボン、グラファイト系の材料、例えば、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブも好適に使用される。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。
【００８２】
更に、焼成後に薄い膜が得られる有機金属ペースト、例えば白金レジネートペースト等の材料を用いることが好ましい。また、分極反転疲労を抑制する酸化物電極、例えば酸化ルテニウム、酸化イリジウム、ルテニウム酸ストロンチウム、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３（例えばｘ＝０．３や０．５）、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎ１−ｙＣｏｙＯ３（例えばｘ＝０．２、ｙ＝０．０５）、もしくはこれらを例えば白金レジネートペーストに混ぜたものが好ましい。
【００８３】
カソード電極１６は、上記材料を用いて、スクリーン印刷、スプレー、コーティング、ディッピング、塗布、電気泳動法等の各種の厚膜形成法や、スパッタリング法、イオンビーム法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）、めっき等の各種の薄膜形成法による通常の膜形成法に従って形成することができ、好適には、前者の厚膜形成法によって形成するとよい。なお、カソード電極１６の寸法については、図２に示すように、幅Ｗ１を２ｍｍとし、長さＬ１を５ｍｍとした。カソード電極１６の厚さは、２０μｍ以下がよく、好適には５μｍ以下であるとよい。
【００８４】
アノード電極２０は、カソード電極１６と同様の材料及び方法によって形成されるが、好適には上記厚膜形成法によって形成する。アノード電極２０の厚さも、２０μｍ以下がよく、好適には５μｍ以下であるとよい。また、アノード電極２０の寸法については、図２に示すように、カソード電極１６と同様に幅Ｗ２を２ｍｍとし、長さＬ２を５ｍｍとした。
【００８５】
また、カソード電極１６とアノード電極２０間のスリット１８の幅ｄは、本実施の形態では、７０μｍとした。
【００８６】
カソード電極１６に電気的に接続した配線と、アノード電極２０に電気的に接続した配線とを電気的に分離するために、基板１２を電気的な絶縁材料で構成するのが好ましい。
【００８７】
従って、基板１２を、ガラス、又は高耐熱性の金属、あるいはその金属表面をガラスなどのセラミック材料によって被覆したホーローのような材料により構成することができるが、セラミックスで構成するのが最適である。
【００８８】
基板１２を構成するセラミックスとしては、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、スピネル、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス、これらの混合物等を使用することができる。その中でも、酸化アルミニウム及び安定化された酸化ジルコニウムが、強度及び剛性の観点から好ましい。安定化された酸化ジルコニウムは、機械的強度が比較的高いこと、靭性が比較的高いこと、カソード電極１６及びアノード電極２０との化学反応が比較的小さいことなどの観点から特に好適である。なお、安定化された酸化ジルコニウムとは、安定化酸化ジルコニウム及び部分安定化酸化ジルコニウムを包含する。安定化された酸化ジルコニウムでは、立方晶などの結晶構造をとるため、相転移が生じない。
【００８９】
一方、酸化ジルコニウムは、１０００℃前後で単斜晶と正方晶との間を相転移し、このような相転移の際にクラックが発生するおそれがある。安定化された酸化ジルコニウムは、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、希土類金属の酸化物等の安定剤を、１〜３０モル％含有する。なお、基板１２の機械的強度を向上させるために、安定化剤が酸化イットリウムを含有すると好適である。この場合、酸化イットリウムを、好適には１．５〜６モル％、更に好適には２〜４モル％含有し、更に０．１〜５モル％の酸化アルミニウムを含有することが好ましい。
【００９０】
また、結晶相を、立方晶＋単斜晶の混合相、正方晶＋単斜晶の混合相、立方晶＋正方晶＋単斜晶の混合相等とすることができるが、その中でも、主たる結晶相を、正方晶又は正方晶＋立方晶の混合相としたものが、強度、靭性及び耐久性の観点から最適である。
【００９１】
基板１２をセラミックスから構成した場合、比較的多数の結晶粒が基板１２を構成するが、基板１２の機械的強度を向上させるためには、結晶粒の平均粒径を、好適には０．０５〜２μｍとし、更に好適には０．１〜１μｍとするとよい。
【００９２】
エミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０をそれぞれ形成するたびに熱処理（焼成処理）して基板１２と一体構造にすることができ、また、これらエミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０を形成した後、同時に焼成処理して、これらを同時に基板１２に一体に結合することもできる。なお、カソード電極１６及びアノード電極２０の形成方法によっては、一体化のための熱処理（焼成処理）を必要としない場合もある。
【００９３】
基板１２と、エミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０と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。更に、膜状のエミッタ部１４を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１４の組成が不安定にならないように、エミッタ部１４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。
【００９４】
また、エミッタ部１４を適切な部材によって被覆し、エミッタ部１４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。この場合、被覆部材としては、基板１２と同様の材料を用いることが好ましい。
【００９５】
次に、電子放出素子１０Ａの電子放出原理について図１〜図６を参照しながら説明する。まず、パルス発生源２２から出力される駆動電圧Ｖａは、図３に示すように、第１の電圧Ｖａ１が出力される期間（準備期間Ｔ１）と第２の電圧Ｖａ２が出力される期間（電子放出期間Ｔ２）を１ステップとし、該１ステップが繰り返される。第１の電圧Ｖａ１は、カソード電極１６の電位がアノード電極２０の電位よりも高い電圧であり、第２の電圧Ｖａ２は、カソード電極１６の電位がアノード電極２０の電位よりも低い電圧である。駆動電圧Ｖａの振幅Ｖｉｎは、第１の電圧Ｖａ１から第２の電圧Ｖａ２を差し引いた値（＝Ｖａ１−Ｖａ２）で定義することができる。つまり、駆動電圧Ｖａの波形は、準備期間Ｔ１において第１の電圧Ｖａ１、電子放出期間Ｔ２において第２の電圧Ｖａ２の矩形パルスとなっている。
【００９６】
準備期間Ｔ１は、図４に示すように、カソード電極１６とアノード電極２０間に第１の電圧Ｖａ１を印加してエミッタ部１４を分極する期間である。第１の電圧Ｖａ１としては、図３のように直流電圧でもよいが、１つのパルス電圧もしくはパルス電圧を複数回連続印加するようにしてもよい。ここで、準備期間Ｔ１は、分極処理を十分に行うために、電子放出期間Ｔ２よりも長くとることが好ましい。例えば、この準備期間Ｔ１としては１００μｓｅｃ以上が好ましい。これは、第１の電圧Ｖａ１の印加時の消費電力及びカソード電極１６の損傷を防止する目的で、分極を行うための第１の電圧Ｖａ１の絶対値を、第２の電圧Ｖａ２の絶対値よりも小さく設定しているからである。
【００９７】
また、第１の電圧Ｖａ１及び第２の電圧Ｖａ２は、各々正負の極性に分極処理を確実に行う電圧レベルであることが好ましく、例えばエミッタ部１４の誘電体が抗電圧を有する場合、第１の電圧Ｖａ１及び第２の電圧Ｖａ２の絶対値は、抗電圧以上であることが好ましい。
【００９８】
電子放出期間Ｔ２は、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加される期間である。カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、図５Ａに示すように、少なくともエミッタ部１４のうち、スリット１８から露出する部分が分極反転される。このとき、前記スリットの幅をｄ（図１参照）、前記カソード電極１６と前記アノード電極２０間の電圧をＶａｋとしたとき、エミッタ部１４に印加され、かつ、Ｅ＝Ｖａｋ／ｄで表される電界Ｅで分極反転が行われる。
【００９９】
この分極反転によって、カソード電極１６とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、カソード電極１６から１次電子が引き出され、図５Ｂに示すように、前記カソード電極１６から引き出された１次電子がエミッタ部１４に衝突して、該エミッタ部１４から２次電子が放出される。
【０１００】
この第１の実施の形態のように、カソード電極１６、エミッタ部１４及び真空の３重点Ａを有する場合には、カソード電極１６のうち、３重点Ａの近傍部分から１次電子が引き出され、この３重点Ａから引き出された１次電子がエミッタ部１４に衝突して、該エミッタ部１４から２次電子が放出される。なお、カソード電極１６の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該カソード電極１６とエミッタ部１４との界面から電子が放出されることになる。
【０１０１】
このような原理によって電子が放出されることから、電子放出が安定して行われ、電子放出の回数も２０億回以上を実現でき、実用性に富む。しかも、放出電子量は、カソード電極１６とアノード電極２０間に印加される駆動電圧Ｖａの振幅Ｖｉｎにほぼ比例して増加することから、放出電子量を容易に制御できるという利点もある。
【０１０２】
そして、放出された２次電子のうち、一部の２次電子はコレクタ電極２４に導かれて蛍光体２８を励起し、外部に蛍光体発光として具現されることになる。他の一部の２次電子や１次電子は、アノード電極２０に引かれる。
【０１０３】
ここで、２次電子の放出分布について説明する。図６に示すように、２次電子は、ほとんどエネルギーが０に近いものが大多数であり、エミッタ部１４の表面から真空中に放出されると、周囲の電界分布のみに従って運動することになる。
つまり、２次電子は、初速がほとんど０（ｍ／ｓｅｃ）の状態から周囲の電界分布に従って加速される。このため、図５Ｂに示すように、エミッタ部１４とコレクタ電極２４間に電界Ｅａが発生しているとすると、２次電子は、この電界Ｅａに沿って、その放出軌道が決定される。つまり、直進性の高い電子源を実現させることができる。このような初速の小さい２次電子は、１次電子のクーロン衝突でエネルギーを得て、エミッタ部１４の外へ飛び出した固体内電子である。
【０１０４】
また、コレクタ電極２４のパターン形状や電位を適宜変更したり、エミッタ部１４とコレクタ電極２４との間に図示しない制御電極等を配置することによって、エミッタ部１４とコレクタ電極２４間の電界分布を任意に設定することにより、２次電子の放出軌道を制御し易くなり、電子ビーム径の収束、拡大、変形も容易になる。
【０１０５】
上述した直進性の高い電子源の実現、並びに２次電子の放出軌道の制御のし易さは、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａをディスプレイの画素として構成した場合に、画素の狭ピッチ化に有利になる。
【０１０６】
ところで、図６からもわかるように、１次電子のエネルギーＥ０に相当するエネルギーをもった２次電子が放出されている。この２次電子は、カソード電極１６から放出された１次電子がエミッタ部１４の表面近くで散乱したもの（反射電子）である。
【０１０７】
カソード電極１６の厚みが１０ｎｍよりも厚い場合には、前記反射電子のほとんどがアノード電極２０に向かうことになる。そして、本明細書内で述べている２次電子は、前記反射電子やオージェ電子も含んで定義するものとする。
【０１０８】
一方、カソード電極１６の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合、カソード電極１６から放出された１次電子は、カソード電極１６とエミッタ部１４の界面で反射してコレクタ電極２４に向かうことになる。
【０１０９】
次に、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａの３つの具体例について説明する。
【０１１０】
第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａａは、エミッタ部１４の構成材料を圧電材料としている。それ以外の構成は、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａと同様である。
【０１１１】
ここで、第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａａの電子放出方法について説明する。
【０１１２】
まず、エミッタ部１４の構成材料である圧電材料の分極−電界特性は、図７に示すように、電界Ｅ＝０（Ｖ／ｍｍ）を基準としたヒステリシス曲線を描く。
【０１１３】
そして、このヒステリシス曲線のうち、ポイントｐ１〜ｐ２〜ｐ３までの曲線に注目すると、圧電材料は、正極性の電界が印加されるポイントｐ１にて、ほとんどが一方向に分極される。その後、負極性の電界を印加すると、抗電界（約−７００Ｖ／ｍｍ）のポイントｐ２を超えたあたりから分極が反転しはじめ、ポイントｐ３にて全ての分極が反転することになる。
【０１１４】
従って、この第１の具体例では、図８に示すように、まず、準備期間Ｔ１において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第１の電圧Ｖａ１を印加して、エミッタ部１４に対して正極性の電界（約１０００Ｖ／ｍｍ）を印加する。このとき、図７の分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部１４は一方向に分極されることになる。
【０１１５】
その後、図８の電子放出期間Ｔ２において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２を印加して、エミッタ部１４に対して高速に抗電界を超える電界（例えば約−１０００Ｖ／ｍｍ）を印加すると、図７に示す前記ポイントｐ３に至る前のポイントｐ４にて電子の放出が行われる。これは、図８に示すように、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ１（ここでは、１０μｓｅｃ以内）におけるカソード電極１６及びアノード電極２０間の電圧Ｖａｋのピーク時点Ｐ１において、わずかな電圧降下がみられ、このピーク時点Ｐ１に電子放出が行われていることがわかる。つまり、このピーク時点Ｐ１において、コレクタ電極２４に急速に電流（コレクタ電流Ｉｃ）が流れており、これは、放出電子がコレクタ電極２４にて捕獲されたことを示している。
【０１１６】
このように、カソード電極１６に第２の電圧Ｖａ２が供給されることによって、上述したように、前記エミッタ部１４から、あるいはカソード電極１６とエミッタ部１４との界面から２次電子が放出されることになる。
【０１１７】
電子放出後、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋは、カソード電極１６に印加されている第２の電圧Ｖａ２に引かれて、再び大きくなるが、上述した電子放出時の電圧降下がわずかであったため（電圧降下レベルは２０Ｖ程度）、電子放出までには至らず、最初の電子放出のみで終了となる。
【０１１８】
このように、第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａａの電子放出方法においては、一方向に分極されたエミッタ部１４に対して高速に抗電界を超える電界を印加することで、効率よく電子が放出されることになり、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【０１１９】
電子放出が行われる電界（ポイントｐ４における電界）は、抗電界を超えて分極反転がほぼ完了する電界であって、これらの電界はほぼ一定である。つまり、デジタル的な電子放出特性となる。また、この電子放出が行われる電界は、抗電界に依存するため、抗電界が小さいほど駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【０１２０】
また、この電子放出方法では、カソード電極１６とアノード電極２０間に印加される第２の電圧Ｖａ２のレベルを制御することによって、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ１内、例えば１０μｓｅｃ以内に、エミッタ部１４に抗電界を超える電界を印加することが可能となる。
【０１２１】
この場合、第２の電圧Ｖａ２のレベル制御は、第２の電圧Ｖａ２がパルス状であって、図９Ａに示すように、矩形パルスであれば、最大振幅（＝Ｖａ２）のみを制御し、図９Ｂに示すように、立ち下がりがランプ状のパルスであれば、例えば第２の電圧Ｖａ２の最大振幅や偏移時間ｔａ（電子放出期間Ｔ２の開始時点から最大振幅に達するまでの時間）を制御することなどが挙げられる。
【０１２２】
なお、第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａａにおいて、連続した電子放出を実現するためには、駆動電圧Ｖａの波形として、正負の交番パルスを有する波形を採用することによって容易に実現させることができる。
【０１２３】
次に、第２の具体例に係る電子放出素子１０Ａｂについて説明する。この第２の具体例に係る電子放出素子１０Ａｂは、エミッタ部１４の構成材料を反強誘電体材料としている点以外は、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａの構成と同様である。
【０１２４】
ここで、第２の具体例に係る電子放出素子１０Ａｂの電子放出方法について説明する。
【０１２５】
まず、エミッタ部１４の構成材料である反強誘電体材料の分極−電界特性は、図１０に示すように、低い電界下では電圧に比例した誘起分極だけが観察されるが、ある電界を超えると強誘電体となり（電界誘起強制相転移）、電界の上下に対して分極のヒステリシスが現れる。しかし、再び電界を取り除くと元の常誘電体（分極がリセットされた状態）に戻る。
【０１２６】
そして、このヒステリシス曲線のうち、ポイントｐ１１〜ｐ１２〜ｐ１３までの曲線に注目すると、反強誘電体材料は、正極性の電界が印加されるポイントｐ１１にて、ほとんどが一方向に分極される。その後、電界の強さを低減していくと、ポイントｐ１２を超えたあたりから分極量が急激に低減しはじめ、電界の強さが０のポイントｐ１３では常誘電体となり、分極がリセットされた状態となっている。その後、負極性の電界を印加すると、エミッタ部１４が強誘電体に相転移し、電界（約−２３００Ｖ／ｍｍ）のポイントｐ１４を超えたあたりから分極反転が行われはじめ、ポイントｐ１５にて他方向に分極が行われることになる。
【０１２７】
従って、この第２の具体例では、図１１に示すように、まず、準備期間Ｔ１において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第１の電圧Ｖａ１を印加して、エミッタ部１４に対して正極性の電界（約３０００Ｖ／ｍｍ）を印加する。このとき、図１０の分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部１４は一方向に分極されることになる。なお、第１の電圧Ｖａ１を基準電圧（０Ｖ）にして、準備期間Ｔ１に、エミッタ部１４に対して電界をかけない状態にしてもよい。この場合、分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部１４は予め無分極状態となる。
【０１２８】
その後、電子放出期間Ｔ２において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２を印加して、エミッタ部１４に対して高速に電界（例えば約−３０００Ｖ／ｍｍ）を印加することによってエミッタ部１４を分極変化させると、図１０のポイントｐ１５に至る前のポイントｐ１６にて電子の放出が行われる。
【０１２９】
これは、図１１に示すように、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ２（この場合、１０μｓｅｃ）以内におけるカソード電極１６及びアノード電極２０間の電圧Ｖａｋのピーク時点Ｐ１において、電圧降下がみられ、このピーク時点Ｐ１に電子放出が行われていることがわかる。つまり、このピーク時点Ｐ１において、コレクタ電極２４に急速に電流（コレクタ電流Ｉｃ）が流れており、これは、放出電子がコレクタ電極２４にて捕獲されたことを示している。
【０１３０】
ところで、反強誘電体材料が相転移によって強誘電体になった場合においては、電子放出される電界（ポイントｐ１６における電界）と分極がほぼリセットされる電界（ポイントｐ１７における電界）との差が小さい。従って、一旦、電子が放出されて、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧が降下すると、エミッタ部１４の分極が容易にリセットされ、疑似的に基準電圧０Ｖが印加された状態になる。
【０１３１】
しかし、この電子放出期間Ｔ２では、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加されていることから、急速にカソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが電子放出に必要なレベルに達し、再び電子放出がなされることになる。
【０１３２】
従って、この電子放出期間Ｔ２において第２の電圧Ｖａ２を印加しつづけることによって、上述した一連の動作が連続して行われるようになり、第２の電圧Ｖａ２のレベルを制御することによって、連続回数を制御することも可能となる。
図１０の例では、電子放出を４回連続して行った場合を示す。
【０１３３】
このように、第２の具体例に係る電子放出素子１０Ａｂの電子放出方法においては、エミッタ部１４に高速に電界を印加して、エミッタ部１４を強誘電体に相転移させて、エミッタ部１４を分極変化させることにより、効率よく電子が放出されることになり、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【０１３４】
また、電子放出が行われる電界（ポイントｐ１６における電界）は、分極反転がほぼ完了する電界であって、これらの電界はほぼ一定である。つまり、デジタル的な電子放出特性となる。また、この電子放出が行われる電界は、エミッタ部１４が強誘電体に相転移する電界（強制相転移電界）に依存するため、該強制相転移電界が小さいほど駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【０１３５】
また、この電子放出方法では、印加電界を正極性にしなくても、分極をほぼリセットされた状態にすることができる。従って、電子放出期間Ｔ２においては、片側極性駆動（負極性への駆動）のみで電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【０１３６】
また、カソード電極１６とアノード電極２０間に印加される第２の電圧Ｖａ２のレベルを制御（最大振幅や偏移時間ｔａを制御）することによって、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ２内、例えば１０μｓｅｃ以内に、エミッタ部１４を強誘電体に相転移させて、エミッタ部１４を分極させる程度の電界を印加することが可能となる。
【０１３７】
次に、第３の具体例に係る電子放出素子１０Ａｃについて説明する。この第３の具体例に係る電子放出素子１０Ａｃは、エミッタ部１４の構成材料を電歪材料としている点以外は、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａの構成と同様である。
【０１３８】
ここで、第３の具体例に係る電子放出素子１０Ａｃの電子放出方法について説明する。まず、エミッタ部１４の構成材料である電歪材料の分極−電界特性は、図１２に示すように、電界にほぼ比例した量の分極が行われ、特に、低い電界での分極の変化率が高い電界での分極の変化よりも大きくなっている。いずれにしても、エミッタ部１４での分極が電界の変化に応じて散漫的に起こることがわかる。なお、電界を取り除くと分極がリセットされた状態になる。
【０１３９】
そして、この特性曲線のうち、ポイントｐ２１〜ｐ２３までの曲線に注目すると、電歪材料は、正極性の電界が印加されるポイントｐ２１にて、ほとんどが一方向に分極される。その後、電界の強さを低減していくと、正極性の電界の強さに応じて一方向の分極量が低減し、電界の強さが０のポイントｐ２２では常誘電体となり、分極がリセットされた状態となっている。その後、負極性の電界を印加すると、分極反転が行われはじめ、負極性の電界の強さが増加するに応じて他方向への分極量が増加し、ポイントｐ２３にてほとんどが他方向に分極されることになる。つまり、エミッタ部１４は、印加電界に応じた量の分極が行われることになる。
【０１４０】
従って、この第３の具体例では、図１３に示すように、まず、準備期間Ｔ１において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第１の電圧Ｖａ１を印加して、エミッタ部１４に対して正極性の電界（約２０００Ｖ／ｍｍ）を印加する。このとき、図１２の分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部１４は一方向に分極されることになる。なお、第１の電圧Ｖａ１を基準電圧（０Ｖ）にして、準備期間Ｔ１に、エミッタ部１４に対して電界をかけない状態にしてもよい。この場合、分極−電界特性からもわかるように、エミッタ部１４は予め無分極状態となる。
【０１４１】
その後、電子放出期間Ｔ２において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２を印加して、エミッタ部１４に対して電界（例えば約−２０００Ｖ／ｍｍ）を印加することによってエミッタ部１４を分極変化させると、ポイントｐ２３にて電子の放出が行われる。これは、図１３に示すように、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ３（ここでは、１０μｓｅｃ以内）におけるカソード電極１６及びアノード電極２０間の電圧Ｖａｋのピーク時点Ｐ１において、電圧降下がみられ、このピーク時点Ｐ１に電子放出が行われていることがわかる。つまり、このピーク時点Ｐ１において、コレクタ電極２４に急速に電流（コレクタ電流Ｉｃ）が流れており、これは、放出電子がコレクタ電極２４にて捕獲されたことを示している。
【０１４２】
このように、第３の具体例に係る電子放出素子１０Ａｃでは、エミッタ部１４での分極が電界の変化に応じて散漫的に起こるため、単位時間当たりの分極量が多いほど、電子放出量が多くなる。つまり、アナログ的な電子放出特性となる。
【０１４３】
また、電子放出される電界（ポイントｐ２３）における電界と分極がリセットされる電界（ポイントｐ２２における電界）との電位差が小さい。従って、一旦、電子が放出されて、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが降下すると、エミッタ部１４の分極が容易にリセットされ、疑似的に基準電圧０Ｖが印加された状態になる。
【０１４４】
しかし、この電子放出期間Ｔ２では、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加されていることから、急速にカソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが大きくなり、再び分極が行われていく。このとき、分極の変化が急速に進むため、最初の電子放出の際の電圧よりも低い電圧で電子放出が行われる。
【０１４５】
２度目の電子放出が行われて、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが降下すると、再びエミッタ部１４の分極が容易にリセットされ、その後、カソード電極１６とアノード電極２０間への第２の電圧Ｖａ２の持続印加によって、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが再度大きくなり、分極が行われていく。この場合も分極の変化が急速に進むため、２度目の電子放出の際の電圧とほぼ同じ電圧で電子放出が行われる。
【０１４６】
つまり、１回目の電子放出後においては、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋが微振動することとなり、この微振動によって電子放出が持続されることになる。そして、第２の電圧Ｖａ２のレベルを制御することによって、電子放出の持続時間を制御することも可能となる。
【０１４７】
このように、第３の具体例に係る電子放出素子１０Ａｃの電子放出方法においては、エミッタ部１４での分極量を制御することで、効率よく電子を放出することができることから、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【０１４８】
また、上述したように、単位時間当たりの分極量が大きいほど、電界の強さを低くすることができるため、駆動電圧系の低電圧化が可能となる。
【０１４９】
また、この電子放出方法では、印加電界を正極性にしなくても、分極をほぼリセットされた状態にすることができる。従って、電子放出期間Ｔ２においては、片側極性駆動（負極性への駆動）のみで電子放出が可能となる。これは、駆動回路系の簡略化につながり、低消費電力やコストの低廉化並びに構造の小型化において有利となる。
【０１５０】
また、カソード電極１６とアノード電極２０間に印加される第２の電圧Ｖａ２のレベルを制御する（最大振幅や偏移時間ｔａを制御する）ことによって、電子放出期間Ｔ２の開始時点から一定時間ｔｃ３内、例えば１０μｓｅｃ以内に生じるエミッタ部１４の分極量を制御し、電子放出量を制御することができる。
【０１５１】
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１４〜図２３Ｂを参照しながら説明する。
【０１５２】
この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂは、図１４に示すように、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、カソード電極１６が板状のエミッタ部１４の表面に形成され、アノード電極２０がエミッタ部１４の裏面に形成されている点で異なる。
【０１５３】
なお、カソード電極１６とアノード電極２０間への駆動電圧Ｖａの印加は、例えば図１５に示すように、カソード電極１６に延びるリード電極１７とアノード電極２０に延びるリード電極２１を通じて行われる。
【０１５４】
そして、この電子放出素子１０Ｂをディスプレイの画素として利用する場合は、カソード電極１６の上方にコレクタ電極２４が配置され、該コレクタ電極２４には蛍光体２８が塗布される。
【０１５５】
カソード電極１６とアノード電極２０間のエミッタ部１４の厚さｈ（図１４）は、両電極１６及び２０間の電圧をＶａｋとしたとき、Ｅ＝Ｖａｋ／ｈで表される電界Ｅで分極反転が行われるように、前記厚さｈを設定することが好ましい。
つまり、前記厚さｈが小さいほど、低電圧で分極反転もしくは分極変化が可能となり、低電圧駆動（例えば１００Ｖ未満）で電子放出が可能となる。エミッタ部１４の絶縁破壊電圧は、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍ以上有していることが好ましい。ここで、エミッタ部１４の絶縁破壊電圧は、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍ以上有していることが好ましい。この例では、エミッタ部１４の厚さｈを例えば２０μｍとしたとき、カソード電極１６とアノード電極２０間に−１００Ｖの駆動電圧を印加しても、エミッタ部１４が絶縁破壊に至ることはない。
【０１５６】
カソード電極１６の平面形状は、図１５に示すように、楕円形状としてもよいし、図１６に示す第１の変形例に係る電子放出素子１０Ｂａのように、リング状にしてもよい。あるいは、図１７に示す第２の変形例に係る電子放出素子１０Ｂｂのように、くし歯状にしてもよい。
【０１５７】
カソード電極１６の平面形状をリング状やくし歯状にすることによって、電界集中ポイントＡでもあるカソード電極１６／エミッタ部１４／真空の３重点が増え、電子放出効率を向上させることができる。
【０１５８】
カソード電極１６の厚みｔｃ（図１４参照）は、２０μｍ以下であるとよく、好適には５μｍ以下であるとよい。従って、カソード電極１６の厚みｔｃを１００ｎｍ以下にしてもよい。特に、図１８に示す第３の変形例に係る電子放出素子１０Ｂｃのように、カソード電極１６の厚みｔｃを極薄（１０ｎｍ以下）とした場合には、該カソード電極１６とエミッタ部１４との界面から電子が放出されることになり、電子放出効率を更に向上させることができる。
【０１５９】
一方、アノード電極２０は、カソード電極１６と同様の材料及び方法によって形成されるが、好適には上記厚膜形成法によって形成する。アノード電極２０の厚さも、２０μｍ以下であるとよく、好適には５μｍ以下であるとよい。
【０１６０】
次に、電子放出素子１０Ｂの電子放出原理について図１４、図１９〜図２３Ｂを参照しながら説明する。この第２の実施の形態においても、図１９に示すように、上述した第１の実施の形態と同様に、第１の電圧Ｖａ１が出力される期間（準備期間Ｔ１）と第２の電圧Ｖａ２が出力される期間（電子放出期間Ｔ２）を１ステップとし、該１ステップが繰り返される。
【０１６１】
まず、準備期間Ｔ１において、図２０に示すように、カソード電極１６とアノード電極２０間に第１の電圧Ｖａ１が印加されることによって、エミッタ部１４が一方向に分極されることになる。この場合も、第１の電圧Ｖａ１としては、図１９のように直流電圧でもよいが、１つのパルス電圧もしくはパルス電圧を複数回連続印加するようにしてもよい。また、準備期間Ｔ１は、分極処理を十分に行うために、電子放出期間Ｔ２よりも長くとることが好ましい。例えば、この準備期間Ｔ１としては１００μｓｅｃ以上が好ましい。
【０１６２】
その後、電子放出期間Ｔ２において、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、図２１に示すように、少なくともエミッタ部１４の一部が分極反転もしくは分極変化される。ここで、分極反転もしくは分極変化される部位は、カソード電極１６の真下部分はもちろんのこと、真上にカソード電極１６を有しておらず、表面が露出した部分についても、カソード電極１６の近傍では、同様に分極反転もしくは分極変化が行われる。つまり、カソード電極１６の近傍で、エミッタ部１４の表面が露出した部分は、分極のしみ出しが起きているからである。この分極反転もしくは分極変化によって、カソード電極１６とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な集中電界が発生することにより、カソード電極１６から１次電子が引き出され、カソード電極１６から引き出された前記１次電子がエミッタ部１４に衝突して、該エミッタ部１４から２次電子が放出される。
【０１６３】
この第２の実施の形態のように、カソード電極１６、エミッタ部１４及び真空の３重点Ａを有する場合には、カソード電極１６のうち、３重点Ａの近傍部分から１次電子が引き出され、この３重点Ａから引き出された１次電子がエミッタ部１４に衝突して、該エミッタ部１４から２次電子が放出される。なお、カソード電極１６の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該カソード電極１６とエミッタ部１４との界面から電子が放出されることになる。
【０１６４】
ここで、第２の電圧Ｖａ２が印加されることによる作用を更に詳細に説明する。まず、カソード電極１６とアノード電極２０間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、上述したように、エミッタ部１４から２次電子が放出されることになる。即ち、分極反転もしくは分極変化されたエミッタ部１４のうち、カソード電極１６の近傍に帯電する双極子モーメントが放出電子を引き出すこととなる。
【０１６５】
つまり、カソード電極１６のうち、エミッタ部１４との界面近傍において局所的なカソードが形成され、エミッタ部１４のうち、カソード電極１６の近傍の部分に帯電している双極子モーメントの＋極が局所的なアノードとなってカソード電極１６から電子が引き出され、その引き出された電子のうち、一部の電子がコレクタ電極２４（図１４参照）に導かれて蛍光体２８を励起し、外部に蛍光体発光として具現されることになる。また、前記引き出された電子のうち、一部の電子がエミッタ部１４に衝突して、エミッタ部１４から２次電子が放出され、該２次電子がコレクタ電極２４に導かれて蛍光体２８を励起することになる。なお、この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂにおける２次電子の放出分布についても図１０と同様の特性を有することになる。従って、２次電子は、ほとんどエネルギーが０に近いものが大多数であり、エミッタ部１４の表面から真空中に放出されると、周囲の電界分布のみに従って運動することになる。つまり、２次電子は、初速がほとんど０（ｍ／ｓｅｃ）の状態から周囲の電界分布に従って加速される。このため、図１４に示すように、エミッタ部１４とコレクタ電極２４間に電界Ｅａが発生しているとすると、２次電子は、この電界Ｅａに沿って、その放出軌道が決定される。つまり、直進性の高い電子源を実現させることができる。このような初速の小さい２次電子は、１次電子のクーロン衝突でエネルギーを得て、エミッタ部１４の外へ飛び出した固体内電子である。
【０１６６】
また、１次電子のエネルギーＥ０に相当するエネルギーをもった２次電子は、カソード電極１６から放出された１次電子がエミッタ部１４の表面近くで散乱したもの（反射電子）である。ここで、エミッタ部１４から蛍光体へ放出される２次電子は、上記初速の小さい２次電子、つまり、１次電子のクーロン衝突でエネルギーを得てエミッタ部１４の外に飛び出した固体内電子と、オージェ電子と、反射電子の全てを含む。カソード電極１６の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合、カソード電極１６から放出された１次電子は、カソード電極１６とエミッタ部１４の界面で反射してコレクタ電極２４に向かうことになる。
【０１６７】
ここで、図２１に示すように、電界集中ポイントＡでの電界の強さＥＡは、局所的なアノードと局所的なカソード間の電位差をＶ（ｌａ，ｌｋ）、局所的なアノードと局所的なカソード間の距離をｄＡとしたとき、ＥＡ＝Ｖ（ｌａ，ｌｋ）／ｄＡの関係がある。この場合、局所的なアノードと局所的なカソード間の距離ｄＡは非常に小さいことから、電子放出に必要な電界の強さＥＡを容易に得ることができる（電界の強さＥＡが大きくなっていることを図２１上では実線矢印によって示す）。これは、電圧Ｖａｋの低電圧化につながる。
【０１６８】
そして、カソード電極１６からの電子放出がそのまま進行すれば、ジュール熱によって蒸散して浮遊するエミッタ部１４の構成原子が前記放出された電子によって正イオンと電子に電離され、この電離によって発生した電子が更にエミッタ部１４の構成原子等を電離するため、指数関数的に電子が増え、これが進行して電子と正イオンが中性的に存在すると局所プラズマとなる。なお、２次電子も前記電離を促進させることが考えられる。前記電離によって発生した正イオンが例えばカソード電極１６に衝突することによってカソード電極１６が損傷することも考えられる。
【０１６９】
しかし、この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂでは、図２２に示すように、カソード電極１６から引き出された電子が、局所アノードとして存在するエミッタ部１４の双極子モーメントの＋極に引かれ、カソード電極１６の近傍におけるエミッタ部１４の表面の負極性への帯電が進行することになる。その結果、電子の加速因子（局所的な電位差）が緩和され、２次電子放出に至るポテンシャルが存在しなくなり、エミッタ部１４の表面における負極性の帯電が更に進行することになる。
【０１７０】
そのため、双極子モーメントにおける局所的なアノードの正極性が弱められ、局所的なアノードと局所的なカソード間の電界の強さＥＡが小さくなり（電界の強さＥＡが小さくなっていることを図２２上では破線矢印によって示す）、電子放出は停止することになる。
【０１７１】
即ち、図２３Ａに示すように、カソード電極１６とアノード電極２０間に印加される駆動電圧Ｖａとして、第１の電圧Ｖａ１を例えば＋５０Ｖ、第２の電圧Ｖａ２を例えば−１００Ｖとしたとき、電子放出が行われたピーク時点Ｐ１におけるカソード電極１６とアノード電極２０間の電圧変化ΔＶａｋは、２０Ｖ以内（図２３Ｂの例では１０Ｖ程度）であってほとんど変化がない。そのため、正イオンの発生はほとんどなく、正イオンによるカソード電極１６の損傷を防止することができ、電子放出素子１０Ｂの長寿命化において有利となる。
【０１７２】
ところで、エミッタ部１４から放出された電子が再びエミッタ部１４に衝突したり、エミッタ部１４の表面近傍での電離等によって、該エミッタ部１４が損傷を受け、結晶欠陥が誘発し、構造的にも脆くなるおそれがある。
【０１７３】
そこで、エミッタ部１４を、真空中での蒸発温度が大きい誘電体で構成することが好ましく、例えばＰｂを含まないＢａＴｉＯ３等にて構成するようにしてもよい。これにより、エミッタ部１４の構成原子がジュール熱によって蒸散しにくくなり、電子による電離の促進を妨げることができる。これは、エミッタ部１４の表面を保護する上で有効となる。
【０１７４】
次に、第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃについて図２４を参照しながら説明する。
【０１７５】
この第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃは、図２４に示すように、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、１つの基板１２を有する点と、アノード電極２０が基板１２上に形成され、エミッタ部１４が基板１２上であって、かつ、アノード電極２０を覆うように形成され、更にカソード電極１６がエミッタ部１４上に形成されている点で異なる。
【０１７６】
この場合も、上述した第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂと同様に、正イオンによるカソード電極１６の損傷を防止することができ、電子放出素子１０Ｃの長寿命化において有利となる。
【０１７７】
上述の第２及び第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂ及び１０Ｃにおいては、エミッタ部１４の構成材料として、上述した圧電材料、反強誘電体材料並びに電歪材料を用いることができる。
【０１７８】
また、上述した第２及び第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂ及び１０Ｃにおいては、カソード電極１６側に現れる双極子モーメントが正・負のいずれかのみになるため、カソード電極１６との間で形成される局所的な電界を大きくとることができる。しかも、これら第２及び第３の実施の形態においては、エミッタ部１４の分極反転時あるいは分極変化時に、負極性となっているカソード電極１６の近傍に双極子モーメントの正極のみを配置することができるため、カソード電極１６から１次電子を引き出すのに好ましい。
【０１７９】
また、上述の第２及び第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂ及び１０Ｃにおいては、１つのエミッタ部１４にそれぞれ１つのカソード電極１６と１つのアノード電極２０を形成して１つの電子放出素子１０Ｂ（１０Ｃ）を構成した例を示したが、その他、例えば図２５に示すように、１つのエミッタ部１４に複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成することも可能である。
【０１８０】
即ち、図２５に示す第１の構成例１００Ａでは、１つのエミッタ部１４の表面にそれぞれ独立に複数のカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃを形成し、エミッタ部の裏面に複数のアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃを形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。各アノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、それぞれ対応するカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃ下にエミッタ部１４を間に挟んで形成される。
【０１８１】
図２６に示す第２の構成例１００Ｂでは、１つのエミッタ部１４の表面にそれぞれ独立に複数のカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃを形成し、エミッタ部１４の裏面に１つのアノード電極２０（共通のアノード電極）を形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。
【０１８２】
図２７に示す第３の構成例１００Ｃでは、１つのエミッタ部１４の表面に１つの極薄（〜１０ｎｍ）のカソード電極１６（共通のカソード電極）を形成し、エミッタ部１４の裏面にそれぞれ独立に複数のアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃを形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。
【０１８３】
図２８に示す第４の構成例１００Ｄでは、基板１２上に複数のアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃをそれぞれ独立に形成し、これらアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃを覆うように１つのエミッタ部１４を形成し、更に、エミッタ部１４上に複数のカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃをそれぞれ独立して形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。各カソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、それぞれ対応するアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ上にエミッタ部１４を間に挟んで形成される。
【０１８４】
図２９に示す第５の構成例１００Ｅでは、基板１２上に１つのアノード電極２０を形成し、該アノード電極２０を覆うように１つのエミッタ部１４を形成し、更に、エミッタ部１４上に複数のカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃをそれぞれ独立に形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。
【０１８５】
図３０に示す第６の構成例１００Ｆでは、基板１２上に複数のアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃをそれぞれ独立に形成し、これら複数のアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃを覆うように１つのエミッタ部１４を形成し、更に、エミッタ部１４上に１つの極薄のカソード電極１６を形成して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成した場合を示す。
【０１８６】
これら第１〜第６の構成例１００Ａ〜１００Ｆでは、１つのエミッタ部１４にて複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を構成することができ、例えば後述するように、各電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）をディスプレイの画素として構成する場合に好適である。
【０１８７】
上述した第１〜第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ〜１０Ｃにおいては、図１に示すように、コレクタ電極２４に蛍光体２８を塗布してディスプレイの画素として構成した場合、以下のような効果を奏することができる。
【０１８８】
（１）ＣＲＴと比して超薄型（パネルの厚み＝数ｍｍ）にすることができる。
【０１８９】
（２）蛍光体２８による自然発光のため、ＬＣＤ（液晶表示装置）やＬＥＤ（発光ダイオード）と比してほぼ１８０°の広視野角を得ることができる。
【０１９０】
（３）面電子源を利用しているため、ＣＲＴと比して画像歪みがない。
【０１９１】
（４）ＬＣＤと比して高速応答が可能であり、μｓｅｃオーダーの高速応答で残像のない動画表示が可能となる。
【０１９２】
（５）４０インチ換算で１００Ｗ程度であり、ＣＲＴ、ＰＤＰ（プラズマディスプレイ）、ＬＣＤ及びＬＥＤと比して低消費電力である。
【０１９３】
（６）ＰＤＰやＬＣＤと比して動作温度範囲が広い（−４０〜＋８５℃）。ちなみに、ＬＣＤは低温で応答速度が低下する。
【０１９４】
（７）大電流出力による蛍光体の励起が可能であるため、従来のＦＥＤ方式のディスプレイと比して高輝度化が可能である。
【０１９５】
（８）圧電体材料の分極反転特性（もしくは分極変化特性）及び膜厚により駆動電圧を制御可能であるため、従来のＦＥＤ方式のディスプレイと比して低電圧駆動が可能である。
【０１９６】
このような種々の効果から、以下に示すように、様々なディスプレイ用途を実現させることができる。
【０１９７】
（１）高輝度化と低消費電力化が実現できるという面から、３０〜６０インチディスプレイのホームユース（テレビジョン、ホームシアター）やパブリックユース（待合室、カラオケ等）に最適である。
【０１９８】
（２）高輝度化、大画面、フルカラー、高精細度が実現できるという面から、顧客吸引力（この場合、視覚的な注目）に効果が大であり、横長、縦長等の異形状ディスプレイや、展示会での使用、情報案内板用のメッセージボードに最適である。
【０１９９】
（３）高輝度化、蛍光体励起に伴う広視野角化、真空モジュール化に伴う広い動作温度範囲が実現できるという面から、車載用ディスプレイに最適である。車載用ディスプレイとしての仕様は、１５：９等の横長８インチ（画素ピッチ０．１４ｍｍ）、動作温度が−３０〜＋８５℃、斜視方向で５００〜６００ｃｄ／ｍ２が必要である。
【０２００】
また、上述の種々の効果から、以下に示すように、様々な光源用途を実現させることができる。
【０２０１】
（１）高輝度化、低消費電力化が実現できるという面から、輝度仕様として２０００ルーメンが必要なプロジェクタ用の光源に最適である。
【０２０２】
（２）高輝度２次元アレー光源を容易に実現できることと、動作温度範囲が広く、屋外環境でも発光効率に変化がないことから、ＬＥＤの代替用途として有望である。例えば信号機等の２次元アレーＬＥＤモジュールの代替として最適である。なお、ＬＥＤは、２５℃以上で許容電流が低下し、低輝度となる。
【０２０３】
なお、この発明に係る電子放出素子の電子放出方法は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【０２０４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法によれば、圧電材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【０２０５】
また、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法によれば、反強誘電体材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【０２０６】
また、本発明に係る電子放出素子の電子放出方法によれば、電歪材料にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子に対して効率的に電子放出を行わせることができ、ディスプレイや光源等への応用を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る電子放出素子（第１〜第３の具体例に係る電子放出素子）を示す構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る電子放出素子の電極部分を示す平面図である。
【図３】パルス発生源から出力される駆動電圧を示す波形図である。
【図４】カソード電極とアノード電極間に第１の電圧を印加した際の作用を示す説明図である。
【図５】図５Ａは、カソード電極とアノード電極間に第２の電圧を印加した際の作用（１次電子の放出）を示す説明図であり、図５Ｂは、放出された１次電子に基づいて２次電子が放出される原理を示す説明図である。
【図６】放出された２次電子のエネルギーと２次電子の放出量の関係を示す特性図である。
【図７】圧電材料の分極−電界特性を示す図である。
【図８】第１の具体例に係る電子放出素子において、カソード電極とアノード電極間に印加される駆動電圧と、コレクタ電極に流れるコレクタ電流と、カソード電極とアノード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図９】図９Ａは、駆動電圧の一例（矩形パルス）を示す波形図であり、図９Ｂは、駆動電圧の他の例（立ち下がりがランプ状のパルス）を示す波形図である。
【図１０】反強誘電体材料の分極−電界特性を示す図である。
【図１１】第２の具体例に係る電子放出素子において、カソード電極とアノード電極間に印加される駆動電圧と、コレクタ電極に流れるコレクタ電流と、カソード電極とアノード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図１２】電歪材料の分極−電界特性を示す図である。
【図１３】第３の具体例に係る電子放出素子において、カソード電極とアノード電極間に印加される駆動電圧と、コレクタ電極に流れるコレクタ電流と、カソード電極とアノード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図１４】第２の実施の形態に係る電子放出素子を示す構成図である。
【図１５】第２の実施の形態に係る電子放出素子の電極部分を示す平面図である。
【図１６】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第１の変形例における電極部分を示す平面図である。
【図１７】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第２の変形例における電極部分を示す平面図である。
【図１８】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第３の変形例を示す構成図である。
【図１９】パルス発生源から出力される駆動電圧を示す波形図である。
【図２０】カソード電極とアノード電極間に第１の電圧を印加した際の作用を示す説明図である。
【図２１】カソード電極とアノード電極間に第２の電圧を印加した際の電子放出作用を示す説明図である。
【図２２】エミッタ部の表面での負極性帯電に伴って電子放出の自己停止の作用を示す説明図である。
【図２３】図２３Ａは、駆動電圧の一例を示す波形図であり、図２３Ｂは、第２の実施の形態に係る電子放出素子におけるアノード電極とカソード電極間の電圧の変化を示す波形図である。
【図２４】第３の実施の形態に係る電子放出素子を示す構成図である。
【図２５】複数の電子放出素子を組み合わせた第１の構成例を示す説明図である。
【図２６】複数の電子放出素子を組み合わせた第２の構成例を示す説明図である。
【図２７】複数の電子放出素子を組み合わせた第３の構成例を示す説明図である。
【図２８】複数の電子放出素子を組み合わせた第４の構成例を示す説明図である。
【図２９】複数の電子放出素子を組み合わせた第５の構成例を示す説明図である。
【図３０】複数の電子放出素子を組み合わせた第６の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ａａ〜１０Ａｃ、１０Ｂ、１０Ｂａ〜１０Ｂｃ、１０Ｃ…電子放出素子
１２…基板                      １４…エミッタ部
１６…カソード電極              １８…スリット
２０…アノード電極              ２２…パルス発生源
２４…コレクタ電極              ２８…蛍光体
【図１】
2004228063.tif 000003
【図２】
2004228063.tif 000004
【図３】
2004228063.tif 000005
【図４】
2004228063.tif 000006
【図５】
2004228063.tif 000007
【図６】
2004228063.tif 000008
【図７】
2004228063.tif 000009
【図８】
2004228063.tif 000010
【図９】
2004228063.tif 000011
【図１０】
2004228063.tif 000012
【図１１】
2004228063.tif 000013
【図１２】
2004228063.tif 000014
【図１３】
2004228063.tif 000015
【図１４】
2004228063.tif 000016
【図１５】
2004228063.tif 000017
【図１６】
2004228063.tif 000018
【図１７】
2004228063.tif 000019
【図１８】
2004228063.tif 000020
【図１９】
2004228063.tif 000021
【図２０】
2004228063.tif 000022
【図２１】
2004228063.tif 000023
【図２２】
2004228063.tif 000024
【図２３】
2004228063.tif 000025
【図２４】
2004228063.tif 000026
【図２５】
2004228063.tif 000027
【図２６】
2004228063.tif 000028
【図２７】
2004228063.tif 000029
【図２８】
2004228063.tif 000030
【図２９】
2004228063.tif 000031
【図３０】
2004228063.tif 000032