(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極基板と薄膜電極とを有し、当該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することで、当該電極基板と薄膜電極との間で電子を加速させて、当該薄膜電極から当該電子を放出させる電子放出素子であって、
上記電極基板と上記薄膜電極との間には、
導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、
上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質と、が含まれる電子加速層が設けられており、
上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質は、上記電極基板に層形成されており、かつ、層の厚み方向に貫通する複数の開口部を有しており、
上記開口部には、上記導電微粒子が収容されていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
上記導電微粒子は、貴金属であることを特徴とする、請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
上記導電微粒子を成す導電体は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
上記導電微粒子の平均径は、３〜１０ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項５】
上記絶縁体物質は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の少なくとも１つを含んでいる、または有機ポリマーを含んでいることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項６】
上記電子加速層における上記絶縁体物質の割合が、重量比で８０〜９５％であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項７】
上記電子加速層の層厚は、１２〜６０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項８】
上記電子加速層の層厚は、３００〜６０００ｎｍであることを特徴とする、請求項７に記載の電子放出素子。
【請求項９】
上記薄膜電極は、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１０】
上記導電微粒子の周囲に、当該導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が存在することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１１】
上記導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質は、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールの少なくとも１つを含んでいること特徴とする、請求項１０に記載の電子放出素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を備えたことを特徴とする電子放出装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電子放出装置と発光体とを備えたことを特徴とする自発光デバイス。
【請求項１４】
請求項１３に記載の自発光デバイスを備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１５】
請求項１２に記載の電子放出装置を備え、雰囲気下に電子を送風することを特徴とする送風装置。
【請求項１６】
請求項１２に記載の電子放出装置を備え、雰囲気下に電子を送風して被冷却体を冷却することを特徴とする冷却装置。
【請求項１７】
請求項１２に記載の電子放出装置を備え、感光体を帯電することを特徴とする帯電装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の帯電装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項１９】
請求項１２に記載の電子放出装置を備えることを特徴とする電子線硬化装置。
【請求項２０】
電極基板と薄膜電極とを有し、当該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することで、当該電極基板と薄膜電極との間で電子を加速させて、当該薄膜電極から放出させる電子放出素子の製造方法であって、
上記電極基板上に、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含む電子加速層を形成する電子加速層形成工程と、
上記電子加速層上に上記薄膜電極を形成する薄膜電極形成工程と、を含み、
上記電子加速層形成工程は、
シート状で、かつ、積層方向に貫通する複数の開口部を有している上記絶縁体物質を、上記電極基板上に積層する積層工程と、
上記開口部に上記導電微粒子を充填する充填工程と、
を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項２１】
電極基板と薄膜電極とを有し、当該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することで、当該電極基板と薄膜電極との間で電子を加速させて、当該薄膜電極から放出させる電子放出素子の製造方法であって、
上記電極基板上に、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含む電子加速層を形成する電子加速層形成工程と、
上記電子加速層上に上記薄膜電極を形成する薄膜電極形成工程と、を含み、
上記電子加速層形成工程は、
上記電極基板に上記絶縁体物質を層形成する層形成工程と、
上記絶縁体物質に、層の厚み方向に貫通する複数の開口部を形成する開口工程と、
上記開口部に上記導電微粒子を充填する充填工程と、
を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を印加することにより電子を放出させることができ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（Ｓｐｉｎｄｔ）型電極、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）型電極などが知られている。このような電子放出素子は、例えば、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）の分野に応用検討されている。このような電子放出素子は、尖鋭形状部に電圧を印加して約１ＧＶ／ｍの強電界を形成し、トンネル効果により電子放出させる。
【０００３】
また、かねてから、このような電子放出素子を大気中で動作させたいという要求が存在しており、例えば、帯電装置や静電潜像形成装置に応用しようという発想が存在する。スピント型電極の電子放出素子の例では、これを大気中で動作させ、大気中に電子を放出し、気体分子を電離して荷電粒子としてのイオンを発生させ、静電潜像を形成するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。あるいは、カーボンナノチューブ型電極の電子放出素子を大気中で動作させた研究成果が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、これら２つのタイプの電子放出素子は、上記のように電子放出部表面近傍が強電界であるため、放出された電子は電界により大きなエネルギーを得て気体分子を電離しやすくなる。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方向に加速衝突し、スパッタリングによる素子破壊が生じるという問題がある。また、大気中の酸素は電離エネルギーより解離エネルギーが低いため、イオンの発生より先にオゾンを発生する。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、素子の周囲の部材にダメージを与えるという問題が存在し、これを避けるために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限が生じている。
【０００５】
一方、上記とは別のタイプの電子放出素子として、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｍｅｔａｌ）型やＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の電子放出素子が知られている。これらは素子内部の量子サイズ効果及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。これらは素子内部で加速した電子を放出するため、素子外部に強電界を必要としない。従って、ＭＩＭ型及びＭＩＳ型の電子放出素子においては、上記スピント型やＣＮＴ型、ＢＮ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。
【０００６】
例えば、半導体の陽極酸化処理によって形成される多孔質半導体（例えば多孔質シリコン）の量子サイズ効果を利用した上記ＭＩＳ型に属する電子放出素子として、多孔質半導体中に注入された電子を電界で加速し、表面金属薄膜をトンネル効果によって通過させ真空中に放出させるものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、かかる多孔質半導体による電子放出素子は、陽極酸化という極めて簡便・安価な製造方法にて素子を作製できるという大きなメリットがある。
【０００７】
さらに、半導体微粒子もしくは金属微粒子の外側を絶縁層で覆ったものが繰り返し積層された、電子放出素子が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２５５１６８号公報（平成６年９月１３日公開）
【特許文献２】特開平８−２５０７６６号公報（平成８年９月２７日公開）
【特許文献３】特開平９−７４９９号公報（平成９年１月１０日公開）
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】山口、他３名「カーボンナノチューブによる画像記録用高効率電子線源の開発」、Ｊａｐａｎ  Ｈａｒｄｃｏｐｙ９７論文集、日本画像学会、１９９７年７月、ｐ２２１−２２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、ＭＩＭ型やＭＩＳ型の上記従来の電子放出素子を、大気中で動作させた場合、様々な気体分子が素子表面に吸着し、半導体の電気的特性などを変質させ、電子放出電流が減少するという問題が新たに発生している。特に大気中の酸素による半導体の酸化劣化は避けられず、大きな問題となっている。
【００１１】
これら素子内部で電子を加速するＭＩＭ型やＭＩＳ型の従来の電子放出素子の表面は、素子内部に電界を印加する上部電極の役割を担っており、一般的に金属薄膜で構成されている。また、ＭＩＭ型やＭＩＳ型の従来の電子放出素子の表面は、素子内部で加速された電子を、金属薄膜をトンネルして真空中に放出させる役割をも担っており、金属薄膜の膜厚が薄いほど素子内部で加速された電子のトンネル確率が高くなり、電子放出量が多くなる。そのため、金属薄膜の膜厚は薄い方が好ましいと言えるが、金属薄膜の膜厚が薄すぎると、緻密な膜を形成することが困難であるため、気体分子のバリア効果がほとんどない。従って、大気中で電子放出素子を動作させた場合、気体分子が内部の半導体層に侵入し、半導体の電気的特性を変質させ、電子放出電流が減少するという課題が発生する。
【００１２】
この結果、半導体微粒子もしくは金属微粒子を核とし、その外側を絶縁層で覆った微粒子が繰り返し積層された、電子放出素子では、大気中において安定して電子を発生させることはできず、特に絶縁層が半導体微粒子もしくは金属微粒子の酸化膜により構成されている場合では、大気中の酸素により微粒子の酸化が進み、酸化膜の膜厚が増加する。この酸化膜の膜厚増加は電子のトンネル確率を低下させ、最終的には電子放出が止まってしまう。
【００１３】
また一方で、電子がトンネルできる程度の膜厚の絶縁膜は抵抗値がとても低く、素子内を電流が多く流れすぎることにより絶縁破壊を起こしたり、発熱が生じたりすることによって微粒子や絶縁層にダメージを与え、素子が破壊されてしまうという課題がある。
【００１４】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、真空中だけでなく大気圧中でも安定した電子放出を可能とし、かつ電子放出に伴うオゾンやＮＯｘ等の有害物質の発生を抑制できる、電子放出素子等の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の電子放出素子は、上記課題を解決するために、電極基板と薄膜電極とを有し、当該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することで、当該電極基板と薄膜電極との間で電子を加速させて、当該薄膜電極から当該電子を放出させる電子放出素子であって、上記電極基板と上記薄膜電極との間には、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質と、が含まれる電子加速層が設けられていることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の電子放出素子では、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質は、上記電極基板に層形成されており、かつ、層の厚み方向に貫通する複数の開口部を有しており、上記開口部には、上記導電微粒子が収容されている。
【００１７】
上記構成によると、電極基板と薄膜電極との間には、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質と、が含まれる電子加速層が設けられている。ここで言う抗酸化力が高いとは、酸化物形成反応の低いことを指す。一般的に熱力学計算より求めた、酸化物生成自由エネルギーの変化量ΔＧ［ｋＪ／ｍｏｌ］値が負で大きい程、酸化物の生成反応が起こり易いことを表す。本発明ではΔＧ＞−４５０［ｋＪ／ｍｏｌ］以上に該当する金属元素が、抗酸化力の高い導電微粒子として該当する。また、該当する導電微粒子の周囲に、その導電微粒子の大きさよりも小さい絶縁体物質を付着、または被覆することで、酸化物の生成反応をより起こし難くした状態の導電微粒子も、抗酸化力が高い導電微粒子に含まれる。
【００１８】
この電子加速層は、絶縁体物質と抗酸化力が高い導電微粒子とが緻密に集合した薄膜の層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。
【００１９】
また、導電微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難いため、大気圧中でも安定して動作させることができる。
【００２０】
また、上記絶縁体物質および導電性微粒子は、電子加速層における抵抗値および弾道電子の生成量を調整することができるため、電子加速層を流れる電流値と電子放出量の制御を可能とする。さらに、上記絶縁体物質は、電子加速層を流れる電流により生じるジュール熱を効率良く逃がす役割も有することができるため、電子放出素子が熱で破壊されるのを防ぐことができる。
【００２１】
本発明の電子放出素子は、上記構成を有するため、真空中だけでなく大気圧中で動作させても放電を伴わないためオゾンやＮＯｘ等の有害物質をほぼ生成せず、電子放出素子が酸化劣化しない。そのため、本発明の電子放出素子は、寿命が長く大気中でも長時間連続動作をさせることができる。よって、本発明により、真空中だけでなく大気圧中でも安定して電子を放出でき、オゾンやＮＯｘ等の有害物質の発生を抑制した電子放出素子を提供することができる。
【００２２】
さらに、シート状に構成された絶縁体物質は微粒子の集合体ではなく固体の塊として存在するため、電流が流れない絶縁体として機能する。一方、上記開口部に上記導電微粒子が収容された部分では、表面抵抗が低下しその部分のみ電流が流れ易くなる。この結果、上記開口部に上記導電微粒子が収容された部分でのみ、電子放出が生じる。この方法では、微粒子の分散した分散液を均一に塗布する生産工程を必要としないため、より大面積の電子放出素子を容易に形成可能となる。
【００２３】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子は、貴金属であってもよい。このように、上記導電微粒子が、貴金属であることで、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化を図ることができる。
【００２４】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子を成す導電体は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも１つを含んでいてもよい。このように、上記導電微粒子を成す導電体が、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも１つを含んでいることで、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を、より効果的に防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化をより効果的に図ることができる。
【００２５】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子の平均径は、導電性を制御する必要から、上記絶縁体物質の大きさよりも小さくなければならず、３〜１０ｎｍであるのが好ましい。このように、上記導電微粒子の平均径を、上記絶縁体物質の微粒子径よりも小さく、好ましくは３〜１０ｎｍとすることにより、電子加速層内で、導電微粒子による導電パスが形成されず、電子加速層内での絶縁破壊が起こり難くなる。また原理的には不明確な点が多いが、粒子径が上記範囲内の導電微粒子を用いることで、弾道電子が効率よく生成される。
【００２６】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記絶縁体物質は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の少なくとも１つを含んでいてもよい。または有機ポリマーを含んでいてもよい。上記絶縁体物質が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の少なくとも１つを含んでいる、あるいは、有機ポリマーを含んでいると、これら物質の絶縁性が高いことにより、上記電子加速層の抵抗値を任意の範囲に調整することが可能となる。特に、絶縁体物質として酸化物（ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の）を用い、導電微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いる場合には、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化をより一層発生し難くなるため、大気圧中でも安定して動作させる効果をより顕著に発現させることができる。
【００２７】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記電子加速層における上記絶縁体物質の割合が、重量比で８０〜９５％であるのが好ましい。上記電子加速層における上記絶縁体物質の割合が、重量比で８０〜９５％であると、上記電子加速層内の抵抗値を適度に上げることができ、大量の電子が一度に流れることで電子放出素子が破壊されるのを防ぐことができる。
【００２８】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記電子加速層の層厚は、１２〜６０００ｎｍであるのが好ましく、３００〜６０００ｎｍであるのがより好ましい。上記電子加速層の層厚を、好ましくは１２〜６０００ｎｍ、より好ましくは３００〜６０００ｎｍとすることにより、電子加速層の層厚を均一化すること、また層厚方向における電子加速層の抵抗調整が可能となる。この結果、電子放出素子表面の全面から一様に電子を放出させることが可能となり、かつ素子外へ効率よく電子を放出させることができる。
【００２９】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記薄膜電極は、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含んでいてもよい。上記薄膜電極に、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つが含まれることによって、これら物質の仕事関数の低さから、電子加速層で発生させた電子を効率よくトンネルさせ、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。
【００３０】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子の周囲に、当該導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が存在してもよい。このように、上記導電微粒子の周囲に、当該導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が存在することは、素子作成時の導電微粒子の分散液中での分散性向上に貢献する他、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を、より効果的に防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化をより効果的に図ることができる。
【００３１】
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質は、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールの少なくとも１つを含んでいてもよい。このように、上記導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールの少なくとも１つを含んでいることで、素子作成時の導電微粒子の分散液中での分散性向上に貢献するため、導電微粒子の凝集体が元と成る電流の異常パス形成を生じ難くする他、絶縁体物質の周囲に存在する導電微粒子自身の酸化に伴う粒子の組成変化を生じないため、電子放出特性に影響を与えることがない。よって、電子放出素子の長寿命化をより効果的に図ることができる。
【００３２】
ここで、本発明の電子放出素子では、上記導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質は、上記導電微粒子表面に付着して付着物質として存在するものであり、当該付着物質は、上記導電微粒子の平均径より小さい形状の集合体として、上記導電微粒子表面を被膜していてもよい。このように、上記導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が、上記導電微粒子表面に付着あるいは、上記導電微粒子の平均径より小さい形状の集合体として、上記導電微粒子表面を被膜していることで、素子作成時の導電微粒子の分散液中での分散性向上に貢献するため、導電微粒子の凝集体が元と成る電流の異常パス形成を生じ難くする他、絶縁体物質の周囲に存在する導電微粒子自身の酸化に伴う粒子の組成変化を生じないため、電子放出特性に影響を与えることがない。よって、電子放出素子の長寿命化をさらに効果的に図ることができる。
【００３３】
本発明の電子放出装置は、上記いずれか１つの電子放出素子と、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を備えたことを特徴としている。
【００３４】
上記構成によると、真空中だけでなく大気圧中でも安定して電子を放出できる。さらに、オゾンやＮＯｘ等の有害物質を生成せず、電子を放出することができる。
【００３５】
さらに、本発明の電子放出素子を自発光デバイス、及びこの自発光デバイスを備えた画像表示装置に用いることにより、真空封止が不要で大気中でも長寿命な面発光を実現する自発光デバイスを提供することができる。
【００３６】
また、本発明の電子放出素子を、送風装置あるいは冷却装置に用いることにより、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高効率で冷却を行うことができる。
【００３７】
また、本発明の電子放出素子を、帯電装置、及びこの帯電装置を備えた画像形成装置に用いることにより、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、被帯電体を帯電させることができる。
【００３８】
また、本発明の電子放出素子を、電子線硬化装置に用いることにより、面積的に電子線硬化でき、マスクレス化が図れ、低価格化・高スループット化を実現することができる。
【００３９】
本発明の電子放出素子の製造方法は、上記課題を解決するために、電極基板と薄膜電極とを有し、当該電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することで、当該電極基板と薄膜電極との間で電子を加速させて、当該薄膜電極から放出させる電子放出素子の製造方法であって、上記電極基板上に、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含む電子加速層を形成する電子加速層形成工程と、上記電子加速層上に上記薄膜電極を形成する薄膜電極形成工程と、を含むことを特徴としている。
【００４０】
さらに、上記電子加速層形成工程は、シート状で、かつ、積層方向に貫通する複数の開口部を有している上記絶縁体物質を、上記電極基板上に積層する積層工程と、上記開口部に上記導電微粒子を充填する充填工程と、を含んでいる。あるいは、上記電子加速層形成工程は、上記電極基板に上記絶縁体物質を層形成する層形成工程と、上記絶縁体物質に、層の厚み方向に貫通する複数の開口部を形成する開口工程と、上記開口部に上記導電微粒子を充填する充填工程とを含んでいる。
【００４１】
上記方法によると、真空中だけでなく大気圧中でも安定して電子を放出でき、オゾンやＮＯｘ等の有害物質をほぼ生成しない、電子放出素子を製造することができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明の電子放出素子は、上記のように、上記電極基板と上記薄膜電極との間には、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質と、が含まれる電子加速層が設けられている。
【００４３】
さらに、本発明の電子放出素子では、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質は、上記電極基板に層形成されており、かつ、層の厚み方向に貫通する複数の開口部を有しており、上記開口部には、上記導電微粒子が収容されている。
【００４４】
上記構成によると、上記電子加速層は、絶縁体物質と抗酸化力が高い導電微粒子とが緻密に集合した薄膜の層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。また、導電微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難いため、大気圧中でも安定して動作させることができる。
【００４５】
また、上記絶縁体物質および導電性微粒子は、電子加速層における抵抗値および弾道電子の生成量を調整することができるため、電子加速層を流れる電流値と電子放出量の制御を可能とする。さらに、上記絶縁体物質は、電子加速層を流れる電流により生じるジュール熱を効率良く逃がす役割も有することができるため、電子放出素子が熱で破壊されるのを防ぐことができる。
【００４６】
本発明の電子放出素子は、上記構成を有するため、真空中だけでなく大気圧中で動作させても放電を伴わないためオゾンやＮＯｘ等の有害物質をほぼ生成せず、電子放出素子が酸化劣化しない。そのため、本発明の電子放出素子は、寿命が長く大気中でも長時間連続動作をさせることができる。よって、本発明により、真空中だけでなく大気圧中でも安定して電子を放出でき、オゾンやＮＯｘ等の有害物質の発生を抑制した電子放出素子を提供することができる。
【００４７】
さらに、シート状に構成された絶縁体物質は微粒子の集合体ではなく固体の塊として存在するため、電流が流れない絶縁体として機能する。一方、上記開口部に上記導電微粒子が収容された部分では、表面抵抗が低下しその部分のみ電流が流れ易くなる。この結果、上記開口部に上記導電微粒子が収容された部分でのみ、電子放出が生じる。この方法では、微粒子の分散した分散液を均一に塗布する生産工程を必要としないため、より大面積の電子放出素子を容易に形成可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態の電子放出素子の構成を示す模式図である。
【図２】図１の電子放出素子における微粒子層付近の断面の拡大図である。
【図３】電子放出実験の測定系を示す図である。
【図４】真空中における電子放出電流を示すグラフを表す図である。
【図５】真空中における電子放出時の素子内電流を示すグラフを表す図である。
【図６】大気中における電子放出電流及び素子内電流を示すグラフを表す図である。
【図７】大気中における電子放出電流及び素子内電流の経時変化を示す図である。
【図８】本発明の電子放出素子の別の構成による、電子加速層付近の断面の拡大図である。
【図９】本発明の電子放出素子を用いた帯電装置の一例を示す図である。
【図１０】本発明の電子放出素子を用いた電子線硬化装置の一例を示す図である。
【図１１】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの一例を示す図である。
【図１２】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの他の一例を示す図である。
【図１３】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスの更に別の一例を示す図である。
【図１４】本発明の電子放出素子を用いた自発光デバイスを具備する画像形成装置の他の一例を示す図である。
【図１５】本発明に係る電子放出素子を用いた送風装置及びそれを具備した冷却装置の一例を示す図である。
【図１６】本発明の電子放出素子を用いた送風装置及びそれを具備した冷却装置の別の一例を示す図である。
【図１７】被冷却体に、空気を送風した場合のと、電子およびイオンを含む空気を送風した場合とにおける、比較したグラフを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、本発明の電子放出素子の実施形態について、図１〜１７を参照しながら具体的に説明する。なお、以下に記述する実施の形態および実施例は本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれらよって限定されるものではない。
【００５０】
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の電子放出素子の一実施形態の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の電子放出素子１は、下部電極となる基板（電極基板）２と、上部電極（薄膜電極）３と、その間に挟まれて存在する電子加速層４とからなる。また、基板２と上部電極３とは電源７に繋がっており、互いに対向して配置された基板２と上部電極３との間に電圧を印加できるようになっている。電子放出素子１は、基板２と上部電極３との間に電圧を印加することで、基板２と上部電極３との間、つまり、電子加速層４に電流を流し、その一部を印加電圧の形成する強電界により弾道電子として、上部電極３を透過あるいは上部電極３の隙間から放出させる。なお、電子放出素子１と電源７とから電子放出装置が成る。
【００５１】
下部電極となる基板２は、電子放出素子の支持体の役割を担う。そのため、ある程度の強度を有し、直に接する物質との接着性が良好で、適度な導電性を有するものであれば、特に制限なく用いることができる。例えばＳＵＳやＴｉ、Ｃｕ等の金属基板、ＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板、ガラス基板のような絶縁体基板、プラスティック基板等が挙げられる。例えばガラス基板のような絶縁体基板を用いるのであれば、その電子加速層４との界面に金属などの導電性物質を電極として付着さることによって、下部電極となる基板２として用いることができる。上記導電性物質としては、導電性に優れた貴金属系材料を、マグネトロンスパッタ等を用いて薄膜形成できれば、その構成材料は特に問わない。また、酸化物導電材料として、透明電極に広く利用されているＩＴＯ薄膜も有用である。また、強靭な薄膜を形成できるという点で、例えば、ガラス基板表面にＴｉを２００ｎｍ成膜し、さらに重ねてＣｕを１０００ｎｍ成膜した金属薄膜を用いてもよいが、これら材料および数値に限定されることはない。
【００５２】
上部電極３は、電子加速層４内に電圧を印加させるものである。そのため、電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層４内で加速され高エネルギーとなった電子をなるべくエネルギーロス無く透過させて放出させるという観点から、仕事関数が低くかつ薄膜を形成することが可能な材料であれば、より高い効果が期待できる。このような材料として、例えば、仕事関数が４〜５ｅＶに該当する金、銀、炭素、タングステン、チタン、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。また上部電極３の膜厚は、電子放出素子１から外部へ電子を効率良く放出させる条件として重要であり、１０〜５５ｎｍの範囲とすることが好ましい。上部電極３を平面電極として機能させるための最低膜厚は１０ｎｍであり、これ未満の膜厚では、電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子１から外部へ電子を放出させるための最大膜厚は５５ｎｍであり、これを超える膜厚では弾道電子の透過が起こらず、上部電極３で弾道電子の吸収あるいは反射による電子加速層４への再捕獲が生じてしまう。
【００５３】
電子加速層４は、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含んでいればよい。本実施形態では、上記導電微粒子は、金属微粒子６として説明する。また、本実施形態では、上記絶縁体物質は、金属微粒子６の平均径より大きい平均径の微粒子である、絶縁体の微粒子５として説明する。しかし電子加速層４の構成は、上記したものに限定されず、例えば、上記絶縁体物質が、基板２に層形成されており、かつ、層の厚み方向に貫通する複数の開口部を有しており、そして、この開口部には、導電微粒子が収容されていている、というような形態であってもよい。
【００５４】
本実施形態では、電子加速層４には、絶縁体の微粒子５と、金属微粒子６とを含んでいる。よって、以下では、電子加速層４を微粒子層４と記載する。
【００５５】
ここで、金属微粒子６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。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、抗酸化力が高い金属である必要があり、貴金属が好ましく、例えば、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルといった材料が挙げられる。このような金属微粒子６は、公知の微粒子製造技術であるスパッタ法や噴霧加熱法を用いて作成可能であり、応用ナノ研究所が製造販売する銀ナノ粒子等の市販の金属微粒子粉体も利用可能である。弾道電子の生成の原理については後段で記載する。
【００５６】
ここで、金属微粒子６の平均径は、導電性を制御する必要から、以下で説明する絶縁体の微粒子５の大きさよりも小さくなければならず、３〜１０ｎｍであるのがより好ましい。このように、金属微粒子６の平均径を、絶縁体の微粒子５の粒子径よりも小さく、好ましくは３〜１０ｎｍとすることにより、微粒子層４内で、金属微粒子６による導電パスが形成されず、微粒子層４内での絶縁破壊が起こり難くなる。また原理的には不明確な点が多いが、粒子径が上記範囲内の金属微粒子６を用いることで、弾道電子が効率よく生成される。
【００５７】
なお、金属微粒子６の周囲には、金属微粒子６の大きさより小さい絶縁体物質が存在していてもよく、金属微粒子６の大きさより小さい絶縁体物質は、金属微粒子６の表面に付着する付着物質であってもよく、付着物質は、金属微粒子６の平均径より小さい形状の集合体として、金属微粒子６の表面を被膜する絶縁被膜であってもよい。金属微粒子６の大きさより小さい絶縁体物質としては、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体物質でも用いることができる。ただし、金属微粒子６の大きさより小さい絶縁体物質が金属微粒子６を被膜する絶縁被膜であり、絶縁被膜を金属微粒子６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皮膜の厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまう恐れがあるため、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く、例えば、アルコラート、脂肪酸、アルカンチオールといった材料が挙げられる。この絶縁被膜の厚さは薄い方が有利であることが言える。
【００５８】
絶縁体の微粒子５に関しては、その材料は絶縁性を持つものであれば特に制限なく用いることができる。ただし、後述の実験結果の通り微粒子層４を構成する微粒子全体における絶縁体の微粒子５の重量割合は８０〜９５％、またその大きさは、金属微粒子６に対して優位な放熱効果を得るため、金属微粒子６の直径よりも大きいことが好ましく、絶縁体の微粒子５の直径（平均径）は１０〜１０００ｎｍであることが好ましく、１２〜１１０ｎｍがより好ましい。従って、絶縁体の微粒子５の材料はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２といったものが実用的となる。ただし、表面処理が施された小粒径シリカ粒子を用いると、それよりも粒子径の大きな球状シリカ粒子を用いるときと比べて、溶媒中に占めるシリカ粒子の表面積が増加し、溶液粘度が上昇するため、微粒子層４の膜厚が若干増加する傾向にある。また、絶縁体の微粒子５の材料には、有機ポリマーから成る微粒子を用いてもよく、例えば、ＪＳＲ株式会社の製造販売するスチレン／ジビニルベンゼンから成る高架橋微粒子（ＳＸ８７４３）、または日本ペイント株式会社の製造販売するスチレン・アクリル微粒子のファインスフェアシリーズが利用可能である。ここで、絶縁体の微粒子５は、２種類以上の異なる粒子を用いてもよく、また、粒径のピークが異なる粒子を用いてもよく、あるいは、単一粒子で粒径がブロードな分布のものを用いてもよい。
【００５９】
また絶縁体の成す役割は微粒子形状に依存しないため、上記絶縁体物質に有機ポリマーから成るシート基板や、何らかの方法で絶縁体物質を塗布して形成した絶縁体層を用いてもよい。但しこのシート状基板や絶縁体層には厚さ方向を貫通する複数の微細孔を有する必要がある。このような用件を満たすシート状基板材料として、例えば、ワットマンジャパン株式会社の製造販売するメンブレンフィルターニュークリポア（ポリカーボネート製）が有用である。
【００６０】
微粒子層４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が、電子加速層の層厚を均一化できること、また層厚方向における電子加速層の抵抗調整が可能となることなどから、微粒子層４の層厚は、１２〜６０００ｎｍ、より好ましくは３００〜６０００ｎｍであるとよい。
【００６１】
次に、電子放出の原理について説明する。図２は、電子放出素子１の微粒子層４付近の断面を拡大した模式図である。図２に示すように、微粒子層４は、その大部分を絶縁体微の粒子５で構成され、その隙間に金属微粒子６が点在している。図２における絶縁体の微粒子５および金属微粒子６の比率は、絶縁体の微粒子５および金属微粒子６の総重量に対する絶縁体の微粒子５の重量比率が８０％に相当する状態であり、絶縁体の微粒子５一粒子当たりに付着する金属微粒子６は六粒子程度となる。
【００６２】
微粒子層４は絶縁体の微粒子５と少数の金属微粒子６とで構成されるため、半導電性を有する。よって微粒子層４へ電圧を印加すると、極弱い電流が流れる。微粒子層４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。この電流の一部は、印加電圧が形成する微粒子層４内の強電界により弾道電子となり、上部電極３を透過あるいはその隙間を通過して電子放出素子１の外部へ放出される。弾道電子の形成過程は、電子が電界方向に加速されつつトンネルすることによるものと考えられるが、断定できていない。
【００６３】
次に、電子放出素子１の、生成方法の一実施形態について説明する。まず、基板２上に、絶縁体の微粒子５と、金属微粒子６とを分散させた分散溶液をスピンコート法を用いて塗布することで、微粒子層４を形成する。ここで、分散溶液に用いる溶媒としては、絶縁体の微粒子５と、金属微粒子６とを分散でき、かつ塗布後に乾燥できれば、特に制限なく用いることができ、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。また、金属微粒子６の分散性を向上させる目的で、事前処理としてアルコラート処理を施すとよい。スピンコート法による成膜、乾燥、を複数回繰り返すことで所定の膜厚にすることができる。微粒子層４は、スピンコート法以外に、例えば、滴下法、スプレーコート法等の方法でも成膜することができる。そして、電子加速層４上に上部電極３を成膜する。上部電極３の成膜には、例えば、マグネトロンスパッタ法を用いればよい。
【００６４】
また、電子放出素子１において、電子加速層における絶縁体物質（微粒子層４における絶縁体の微粒子５に対応）が層形成されたものである場合、次のように生成することができる。まず、基板２上に、シート状で、かつ、層の厚み方向に貫通する複数の開口部を有している絶縁体物質（以降ではシート状絶縁体物質）を積層する、もしくは、基板２上に絶縁体物質を溶解／分散したコート液を塗布して絶縁体層を形成する。シート状絶縁体物質には、例えば、有機ポリマー、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３から成るシート状基板を用いることができ、絶縁体層を形成する物質には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２、または有機ポリマーを用いることができる。
【００６５】
ここで、複数の開口部は、有機ポリマーであれば刃物を用いたうち抜き法や、高エネルギーレーザ照射によるレーザ穴あけ加工法等を用いて形成可能であり、またＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３から成る物質には、陽極酸化法、特にＳｉＯ２のナノポーラス構造形成には、界面活性剤を鋳型とする水熱反応法等を用いて、所望の開口部を形成可能である。なお、開口部の大きさは、使用する金属微粒子以上の直径が必要となり、５０〜５０ｎｍが好ましい。このような開口部が設けられたシート状絶縁体物質を基板２積層する、もしくは絶縁体物質を溶解／分散したコート液を塗布して形成した絶縁体層に、複数の開口部を形成する。
【００６６】
ここで、上記では、基板２に、開口部が設けられたシート状絶縁体物質を積層しているが、基板２にシート状絶縁体物質を積層した後に、シート状絶縁体物質に開口部を形成してもよい。
【００６７】
その後、シート状絶縁体物質の開口部に絶縁被膜された金属微粒子６を充填する。このとき、例えば、絶縁被膜された金属微粒子６を分散させた溶液を、開口部に浸透させ自然乾燥させることで、電子加速層４が形成される。なお、絶縁被膜された金属微粒子６を、溶媒に分散させることなく、送風や吸引または擦り込みなどの方法により開口部に直接浸透させてもよい。そして、このように形成された電子加速層４上に、上部電極３を成膜する。上部電極３の成膜には、例えば、マグネトロンスパッタ法を用いればよい。
【００６８】
なお、本発明において、上記絶縁体物質は微粒子であってもよく、その平均径が１０〜１０００ｎｍであるのが好ましく、１２〜１１０ｎｍであるのがより好ましい。この場合、粒子径の分散状態は平均粒径に対してブロードであっても良く、例えば平均粒径５０ｎｍの微粒子は、２０〜１００ｎｍの領域にその粒子径分布を有していても問題ない。上記微粒子である絶縁体物質の平均径を好ましくは１０〜１０００ｎｍ、より好ましくは１２〜１１０ｎｍとすることにより、上記絶縁体物質の大きさよりも小さい上記導電微粒子の内部から外部へと効率よく熱伝導させて、素子内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができ、電子放出素子が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、上記電子加速層における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。
【００６９】
また、上記電子加速層形成工程は、上記導電微粒子と、上記絶縁体物質とを溶媒にて混合して混合物質を生成する混合工程と、上記電極基板上に上記混合物質を塗布する塗布工程と、上記記塗布した混合物質を乾燥させる乾燥工程とを含んでいてもよい。
【００７０】
（実施例１）
実施例として、本発明に係る電子放出素子を用いた電子放出実験について図３〜７を用いて説明する。なお、この実験は実施の一例であって、本発明の内容を制限するものではない。
【００７１】
本実施例では、微粒子層４における絶縁体の微粒子５と絶縁体物質（付着物質）を表面に付着させた金属微粒子６との配合を変えた５種類の電子放出素子１を作製した。
【００７２】
基板２には３０ｍｍ角のＳＵＳの基板を使用し、この基板２上にスピンコート法を用いて微粒子層４を堆積させた。スピンコート法に用いた絶縁体の微粒子５及び絶縁体物質を表面に付着させた金属微粒子６を含んだ溶液は、トルエンを溶媒として各粒子を分散したものである。トルエン溶媒中に分散させた絶縁体の微粒子５と絶縁体物質を表面に付着させた金属微粒子６の配合割合は、絶縁体の微粒子５および金属微粒子６の投入総量に対する絶縁体の微粒子５の重量比率を７０、８０、９０、９５％と、それぞれ成るようにした。
【００７３】
絶縁体物質を表面に付着させた金属微粒子６として、銀ナノ粒子（平均径１０ｎｍ、うち絶縁被膜アルコラート１ｎｍ厚）を用い、絶縁体の微粒子５として、球状シリカ粒子（平均径１１０ｎｍ）を用いた。
【００７４】
各微粒子を分散させた溶液は、次のように作成する。１０ｍＬの試薬瓶にトルエン溶媒を３ｍＬ入れ、その中に０．５ｇのシリカ粒子を投入する。ここで試薬瓶を超音波分散器にかけ、シリカ粒子の分散を行う。この後０．０５５ｇの銀ナノ粒子を追加投入し、同様に超音波分散処理を行う。こうして絶縁体の微粒子（シリカ粒子）の配合割合が９０％となる分散溶液が得られる。
【００７５】
スピンコート法による成膜条件は、分散溶液の基板への滴下後に、５００ＲＰＭにて５ｓｅｃ続いて３０００ＲＰＭにて１０ｓｅｃ、基板の回転を行う事とした。この成膜条件を３度繰り返し、基板上に３層堆積させた後、室温で自然乾燥させた。膜厚は約１５００ｎｍであった。
【００７６】
基板２の表面に微粒子層４を形成後、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極３を成膜する。成膜材料として金を使用し、上部電極３の層厚は１２ｎｍ、同面積は０．２８ｃｍ２とした。
【００７７】
上記のように作製した電子放出素子について、図３に示すような測定系を用いて電子放出実験を行った。図３の実験系では、電子放出素子１の上部電極３側に、絶縁体スペーサ９を挟んで対向電極８を配置させる。そして、電子放出素子１および対向電極８は、それぞれ、電源７に接続されており、電子放出素子１にはＶ１の電圧、対向電極８にはＶ２の電圧がかかるようになっている。このような実験系を１×１０−８ＡＴＭの真空中に配置して電子放出実験を行い、さらに、このような実験系を大気中に配置して電子放出実験を行った。これらの実験結果を図４〜７に示す。
【００７８】
図４は、真空中にて電子放出実験した際の電子放出電流を測定した結果を示すグラフである。ここで、Ｖ１＝１〜１０Ｖ、Ｖ２＝５０Ｖとした。図４に示すように、１×１０−８ＡＴＭの真空中において、シリカ粒子の重量比率が、７０％では電子放出が見られないのに対し、８０、９０、９５％では電子放出による電流が観測された。その値は、１０Ｖの電圧印加で１０−７Ａ程度であった。
【００７９】
図５は、上記と同様、真空中において電子放出実験した際の素子内電流を測定した結果を示すグラフである。ここでも、上記と同様、Ｖ１＝１〜１０Ｖ、Ｖ２＝５０Ｖとした。図５から、シリカ粒子の割合が７０％では抵抗値が足りずに絶縁破壊を起こしている（電流値が振り切れ、グラフ上部に張り付いている）ことがわかる。金属微粒子の配合比が多くなると、金属微粒子による導電パスが形成され易くなり、微粒子層４に低電圧で大電流が流れてしまう。このため、弾道電子発生の条件が成立しないと考えられる。
【００８０】
図６は、シリカ粒子の割合が９０％の電子放出素子を用いて、Ｖ１＝１〜１５Ｖ，Ｖ２＝２００Ｖとして、大気中で電子放出実験した際の、電子放出電流および素子内電流を測定した結果を示すグラフである。
【００８１】
図６に示すように、大気中で、Ｖ１＝１５Ｖの電圧印加で１０−１０Ａ程度の電流が観測された。
【００８２】
さらに、図７は、図６と同様シリカ粒子の割合が９０％の電子放出素子を用いて、ここでは、Ｖ１＝１５Ｖ，Ｖ２＝２００Ｖの電圧印加で大気中にて連続駆動させた際の、電子放出電流および素子内電流を測定した結果を示すグラフである。図７に示す通り、６時間経っても安定的に電流を放出し続けた。
【００８３】
（実施例２）
本実施例では、微粒子層４における絶縁体の微粒子５と絶縁体物質を表面に付着させた金属微粒子６の組成は上記実施例１と同様だが、微粒子層４の成膜条件を変更し、その層厚を変えた４種類の電子放出素子１を作成した。
【００８４】
スピンコートに用いる分散溶液に分散させた絶縁体の微粒子５と絶縁体物質を表面に付着させた金属微粒子６の配合割合は、絶縁体の微粒子５および金属微粒子６の投入総量に対する絶縁体の微粒子５の重量比率を８０％と成るように調整し、スピンコート法による上述の成膜条件を１回、５回、で作成した。また、同スピンコート法による成膜条件において、コート面へ供給する塗液量を減量し、同１回のスピンコート条件でも行った。さらに先の成膜方法は異なり、分散溶液を基板２表面に滴下するだけの方法でも微粒子層４の成膜も行った。各成膜条件と微粒子層４の層厚との関係は、表１に示す通りである。
【００８５】
【表１】
0004812853.tif 000002
【００８６】
本実施例にて作成した電子放出素子１を、図３に示す測定系を用いて測定した結果は以下の通りである。Ｖ１＝１〜２０Ｖ、Ｖ２＝５０Ｖとして計測した結果、１×１０−８ＡＴＭの真空中において、微粒子層４の層厚が３００ｎｍから６０００ｎｍの範囲にある電子放出素子では電子放出が得られたのに対し、１９０００ｎｍの電子放出素子では、素子の抵抗が高いため十分な素子内電流を流すことができず、電子放出が得られなかった。
【００８７】
（実施例３）
上記実施例１，２では、トルエン溶媒に、絶縁体の微粒子５として球状シリカ粒子、絶縁体物質を表面に付着させた金属微粒子６としてアルコラート被膜された銀ナノ粒子、を分散させた系であった。本実施例では、金属微粒子として、金、白金およびパラジウムを用いて電子放出素子の作成を行った。
【００８８】
微粒子層４の成膜方法には前述のスピンコート法を用いるため、各微粒子を分散させた溶液を次のように作成した。１０ｍＬの試薬瓶にエタノール溶媒を３ｍＬ入れ、球状シリカ粒子（平均径１１０ｎｍ）を０．５ｇ投入する。ここで試薬瓶を超音波分散器にかけ、シリカ粒子の分散を行う。次に金微粒子（平均粒径３ｎｍ）を０．０５５ｇ追加投入し、同様に超音波分散処理を行う。この条件で分散溶液に占める微粒子の総質量に対するシリカ粒子の配合割合は９０％となる。
【００８９】
スピンコート法による成膜条件は前述の実施例と同様であるが、ＳＵＳの基板表面には、前処理としてシランカップリング剤を用いた親水化処理を行う必要がある。このようにして作成した微粒子層４の表面には、マグネトロンスパッタ装置を用いて上部電極３を成膜する。成膜材料として金を使用し、上部電極３の層厚は１２ｎｍ、同面積は０．２８ｃｍ２とした。
【００９０】
この電子放出素子は１×１０−８ＡＴＭの真空中において、上部電極への印加電圧１０Ｖにて、６×１０−８Ａの電子放出電流が確認された。
【００９１】
同様に、白金微粒子およびパラジウムパラジウム微粒子においても、全く同様の製造方法により電子放出素子を作成し、電子放出可能であることを確認した。
【００９２】
（実施例４）
本実施例では、微粒子層４における絶縁体の微粒子５として有機ポリマーから成る微粒子を用いて電子放出素子の作成を行った。
【００９３】
先の実施例同様、微粒子層４の成膜方法には前述のスピンコート法を用いるため、各微粒子を分散させた溶液を次のように作成した。１０ｍＬの試薬瓶にトルエン溶媒を３ｍＬ入れ、ＪＳＲ株式会社製高架橋ポリマー微粒子（ＳＸ８７４３：平均径５０ｎｍ）を０．５ｇ投入する。ここで試薬瓶を超音波分散器にかけ、高架橋ポリマー微粒子の分散を行う。次に応用ナノ研究所製、銀ナノ粒子を０．０５５ｇ追加投入し、同様に超音波分散処理を行い、微粒子分散溶液が得られる。
【００９４】
スピンコート法による成膜条件は前述のものと同様であり、ＳＵＳの基板２表面に３回の成膜を繰り返すことで、膜厚が約１０００ｎｍの微粒子層４が得られた。この微粒子層４の表面に、金材料を用いて厚さ４０ｎｍの上部電極３を成膜し、電子放出素子とした。本実施例における電子放出素子においても、電子放出が確認された。
【００９５】
（実施例５）
本実施例では、電子加速層における絶縁体物質（上記実施例１〜４の、微粒子層４における絶縁体の微粒子５に対応）として有機ポリマーから成るシート状基板を用いて電子放出素子の作成を行った。図８に、本発明に係る電子放出素子の構成の、別の一例である電子放出素子１’の電子加速層４’付近の断面を拡大した模式図を示す。本実施例では、絶縁体物質５’は、シート状で基板２に積層されており、積層方向に貫通する複数の開口部５１を有する形状となっている。
【００９６】
基板２には３０ｍｍ角のＳＵＳの基板を用い、その上に絶縁体物質５’として厚さが６μｍのポリカーボネートのシートを積層した。なお、このポリカーボネートのシートには、φ５０ｎｍの開口部（孔）５１が１μｍ２あたり６個の割合で開いており、その開口率は約１．２％である。開口部５１は、シートの積層方向に貫通している。
【００９７】
次に、絶縁体物質を表面に付着させた金属微粒子６として金ナノ粒子（平均粒径１０ｎｍ、うち絶縁皮膜水溶性高分子１ｎｍ）を２．５ｍｍｏｌ／Ｌの濃度で溶媒である水に分散させた。この溶液を上記ポリカーボネートのシートの上に適量滴下し、上記開口部５１に浸透させた後、自然乾燥させた。上部電極３には金を用い、マグネトロンスパッタにより層厚を１２ｎｍにして開口部５１に金ナノ粒子が埋まっているポリカーボネートのシート（電子加速層４’）上に堆積させた。電極面積は０．２８ｃｍ２であった。
【００９８】
上記のように作製した電子放出素子１’について、図３に示すような測定系を用いて電子放出実験を行ったところ、電子放出による電流が確認された。
【００９９】
なお、本実施例では溶液の滴下により開口部５１に絶縁体物質を表面に付着させた金属微粒子６を浸透させているが、溶媒に分散させることなく送風や吸引または擦り込みなどの方法により直接浸透させてもよい。
【０１００】
〔実施の形態２〕
図９に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る帯電装置９０の一例を示す。帯電装置９０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とからなり、感光体１１を帯電させるものである。本発明に係る画像形成装置は、この帯電装置９０を具備している。本発明に係る画像形成装置において、帯電装置９０を成す電子放出素子１は、被帯電体である感光体１１に対向して設置され、電圧を印加することにより、電子を放出させ、感光体１１を帯電させる。なお、本発明に係る画像形成装置では、帯電装置９０以外の構成部材は、従来公知のものを用いればよい。ここで、帯電装置９０として用いる電子放出素子１は、感光体１１から、例えば３〜５ｍｍ隔てて配置するのが好ましい。また、電子放出素子１への印加電圧は２５Ｖ程度が好ましく、電子放出素子１の電子加速層の構成は、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なっていればよい。
【０１０１】
帯電装置９０として用いられる電子放出素子１は、大気中で動作させても放電を伴わず、従って帯電装置９０からのオゾンの発生は全く無い。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ほか、機外に放出されなくとも機内の有機材料、例えば感光体１１やベルトなどを酸化し劣化させてしまう。このような問題を、本発明に係る電子放出素子１を帯電装置９０に用い、また、このような帯電装置９０を画像形成装置が有することで、解決することができる。
【０１０２】
さらに帯電装置９０として用いられる電子放出素子１は、面電子源として構成されるので、感光体１１の回転方向へも幅を持って帯電を行え、感光体１１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、帯電装置９０は、線状で帯電するワイヤ帯電器などと比べ、均一な帯電が可能である。また、帯電装置９０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メリットもある。
【０１０３】
〔実施の形態３〕
図１０に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る電子線硬化装置１００の一例を示す。電子線硬化装置１００は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７、さらに電子を加速させる加速電極２１を備えている。電子線硬化装置１００では、電子放出素子１を電子源とし、放出された電子を加速電極２１で加速してレジスト２２へと衝突させる。一般的なレジスト２２を硬化させるために必要なエネルギーは１０ｅＶ以下であるため、エネルギーだけに注目すれば加速電極は必要ない。しかし、電子線の浸透深さは電子のエネルギーの関数となるため、例えば厚さ１μｍのレジスト２２を全て硬化させるには約５ｋＶの加速電圧が必要となる。
【０１０４】
従来からある一般的な電子線硬化装置は、電子源を真空封止し、高電圧印加（５０〜１００ｋＶ）により電子を放出させ、電子窓を通して電子を取り出し、照射する。この電子放出の方法であれば、電子窓を透過させる際に大きなエネルギーロスが生じる。また、レジストに到達した電子も高エネルギーであるため、レジストの厚さを透過してしまい、エネルギー利用効率が低くなる。さらに、一度に照射できる範囲が狭く、点状で描画することになるため、スループットも低い。
【０１０５】
これに対し、本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る電子線硬化装置は、大気中動作可能であるため、真空封止の必要がない。また、電子透過窓を通さないのでエネルギーのロスも無く、印加電圧を下げることができる。さらに面電子源であるためスループットが格段に高くなる。また、パターンに従って電子を放出させれば、マスクレス露光も可能となる。
【０１０６】
〔実施の形態４〕
図１１〜１３に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る自発光デバイスの例をそれぞれ示す。
【０１０７】
図１１に示す自発光デバイス３１は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７と、さらに、電子放出素子１と離れ、対向した位置に、基材となるガラス基板３４、ＩＴＯ膜３３、そして蛍光体３２が積層構造を有する発光部３６と、から成る。
【０１０８】
蛍光体３２としては赤、緑、青色発光に対応した電子励起タイプの材料が適しており、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＋等が使用可能である。ＩＴＯ膜３３が成膜されたガラス基板３４表面に、蛍光体３２を成膜する。蛍光体３２の厚さ１μｍ程度が好ましい。また、ＩＴＯ膜３３の膜厚は、導電性を確保できる膜厚であれば問題なく、本実施形態では１５０ｎｍとした。
【０１０９】
蛍光体３２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微粒子化した蛍光体粒子との混練物として準備し、バーコーター法或いは滴下法等の公知な方法で成膜するとよい。
【０１１０】
ここで、蛍光体３２の発光輝度を上げるには、電子放出素子１から放出された電子を蛍光体へ向けて加速する必要があり、その場合は電子放出素子１の基板２と発光部３６のＩＴＯ膜３３の間に、電子を加速する電界を形成するための電圧印加するために、電源３５を設けるとよい。このとき、蛍光体３２と電子放出素子１との距離は、０．３〜１ｍｍで、電源７からの印加電圧は１８Ｖ、電源３５からの印加電圧は５００〜２０００Ｖにするのが好ましい。
【０１１１】
図１２に示す自発光デバイス３１’は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７、さらに、蛍光体３２を備えている。自発光デバイス３１’では、蛍光体３２は平面状であり、電子放出素子１の表面に蛍光体３２が配置されている。ここで、電子放出素子１表面に成膜された蛍光体３２の層は、前述のように微粒子化した蛍光体粒子との混練物から成る塗布液として準備し、電子放出素子１表面に成膜する。但し、電子放出素子１そのものは外力に対して弱い構造であるため、バーコーター法による成膜手段は利用すると素子が壊れる恐れがある。このため滴下法或いはスピンコート法等の方法を用いるとよい。
【０１１２】
図１３に示す自発光デバイス３１”は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７を備えており、さらに、電子放出素子１の微粒子層４に蛍光体３２’として蛍光の微粒子が混入されている。この場合、蛍光体３２’の微粒子を絶縁体の微粒子５と兼用させてもよい。但し前述した蛍光体の微粒子は一般的に電気抵抗が低く、絶縁体の微粒子５に比べると明らかに電気抵抗は低い。よって蛍光体の微粒子を絶縁体の微粒子５に変えて混合する場合、その蛍光体の微粒子の混合量は少量に抑えなければ成らない。例えば、絶縁体の微粒子５として球状シリカ粒子（平均径１１０ｎｍ）、蛍光体微粒子としてＺｎＳ：Ｍｇ（平均径５００ｎｍ）を用いた場合、その重量混合比は３：１程度が適切となる。
【０１１３】
上記自発光デバイス３１，３１’，３１”では、電子放出素子１より放出させた電子を蛍光体３２，３２に衝突させて発光させる。なお、自発光デバイス３１，３１’，３１”は、電子放出素子１が大気中で電子を放出できるため、大気中動作可能であるが、真空封止すれば電子放出電流が上がり、より効率よく発光することができる。
【０１１４】
さらに、図１４に、本発明に係る自発光デバイスを備えた本発明に係る画像表示装置の一例を示す。図１４に示す画像表示装置１４０は、図１３で示した自発光デバイス３１”と、液晶パネル３３０とを供えている。画像表示装置１４０では、自発光デバイス３１”を液晶パネル３３０の後方に設置し、バックライトとして用いている。画像表示装置１４０に用いる場合、自発光デバイス３１”への印加電圧は、２０〜３５Ｖが好ましく、この電圧にて、例えば、単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるようになっていればよい。また、自発光デバイス３１”と液晶パネル３３０との距離は、０．１ｍｍ程度が好ましい。
【０１１５】
また、本発明に係る画像表示装置として、図１１に示す自発光デバイス３１を用いる場合、自発光デバイス３１をマトリックス状に配置して、自発光デバイス３１そのものによるＦＥＤとして画像を形成させて表示する形状とすることもできる。この場合、自発光デバイス３１への印加電圧は、２０〜３５Ｖが好ましく、この電圧にて、例えば、単位時間当たり１０μＡ／ｃｍ２の電子が放出されるようになっていればよい。
【０１１６】
（実施の形態５）
図１５及び図１６に、実施の形態１で説明した本発明に係る電子放出素子１を用いた本発明に係る送風装置の例をそれぞれ示す。以下では、本願発明に係る送風装置を、冷却装置として用いた場合について説明する。しかし、送風装置の利用は冷却装置に限定されることはない。
【０１１７】
図１５に示す送風装置１５０は、電子放出素子１とこれに電圧を印加する電源７とからなる。送風装置１５０において、電子放出素子１は、電気的に接地された被冷却体４１に向かって電子を放出することにより、イオン風を発生させて被冷却体４１を冷却する。冷却させる場合、電子放出素子１に印加する電圧は、１８Ｖ程度が好ましく、この電圧で、雰囲気下に、例えば、単位時間当たり１μＡ／ｃｍ２の電子を放出することが好ましい。
【０１１８】
図１６に示す送風装置１６０は、図１５に示す送風装置１５０に、さらに、送風ファン４２が組み合わされている。図１６に示す送風装置１６０は、電子放出素子１が電気的に接地された被冷却体４１に向かって電子を放出し、さらに、送風ファン４２が被冷却体４１に向かって送風することで電子放出素子から放出された電子を被冷却体４１に向かって送り、イオン風を発生させて被冷却体４１を冷却する。この場合、送風ファン４２による風量は、０．９〜２Ｌ／分／ｃｍ２とするのが好ましい。
【０１１９】
ここで、送風によって被冷却体４１を冷却させようとするとき、従来の送風装置あるいは冷却装置のようにファン等による送風だけでは、被冷却体４１の表面の流速が０となり、最も熱を逃がしたい部分の空気は置換されず、冷却効率が悪い。しかし、送風される空気の中に電子やイオンといった荷電粒子を含まれていると、被冷却体４１近傍に近づいたときに電気的な力によって被冷却体４１表面に引き寄せられるため、表面近傍の雰囲気を入れ替えることができる。ここで、本発明に係る送風装置１５０，１６０では、送風する空気の中に電子やイオンといった荷電粒子を含んでいるので、冷却効率が格段に上がる。
【０１２０】
図１７は、被冷却体４１に単に空気を送風した場合の被冷却体４１の表面温度と、被冷却体４１に電子およびイオンを含む空気を送風した場合の被冷却体４１の表面温度とを比較したグラフである。図１７から、送風される空気に電子およびイオンが含まれると、冷却効率が上がることがわかる。
【０１２１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明に係る電子放出素子は、放電を伴わないためオゾンの発生が無く、また、安定な大気圧動作が可能である。よって、例えば、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置の帯電装置や、電子線硬化装置、或いは発光体と組み合わせることにより画像表示装置、または放出された電子が発生させるイオン風を利用することにより送風装置等に、好適に適用することができる。
【符号の説明】
【０１２３】
１，１’  電子放出素子
２      基板（電極基板）
３      上部電極（薄膜電極）
４      微粒子層（電子加速層）
４’    電子加速層
５      絶縁体の微粒子（絶縁体物質）
５’    絶縁体物質
６      金属微粒子（導電微粒子）
７      電源（電源部）
８      対向電極
９      絶縁体スペーサ
１１    感光体
２１    加速電極
２２    レジスト
３１，３１’，３１”  自発光デバイス
３２，３２’  蛍光体
３３    ＩＴＯ膜
３４    ガラス基板
３５    電源
３６    発光部
４１    被冷却体
４２    送風ファン
５１    開口部
９０    帯電装置
１００  電子線硬化装置
１４０  画像表示装置
１５０  送風装置
１６０  送風装置
３３０    液晶パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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