(57)【要約】【課題】  光電子の放出効率を向上すると共に光電子放出材料層からの反射光の人体への影響を軽減する。【解決手段】  光電子放出材料層の表面に突起形状を形成し、且つ前記突起の背面に集光手段を形成することで、光電子が発生する突起部分に励起光を集光し、光電子発生効率を向上する。また収束光を突起形状に当てるため、光電子放出材料層からの反射は発散光となり、人体への影響を軽減できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に複数の微小な突起を有する透明基板と、前記突起部分、あるいは突起を含む前記透明基板の表面に透明基板の表面と微小な突起を覆うように形成された光電子放出材料層と、前記透明基板の他方の面に微小突起に対向した複数の集光手段と、前記集光手段に対して励起光を照射する照射手段を有することを特徴とする光電子発生装置。
【請求項２】
前記各々の集光手段の焦点位置に前記各々の突起が位置することを特徴とする請求項１に記載の光電子発生装置。
【請求項３】
前記突起が、前記透明基板あるいは感光性材料で形成されたことを特徴とする請求項１、２に記載の光電子発生装置。
【請求項４】
さらに前記光電子放出材料層と前記透明基板の間に透明電極層を備えるとともに、前記複数の突起に対向する対向電極を備え、前記透明電極−対向電極間に電圧を印可することを特徴とする請求項１〜３に記載の光電子発生装置。
【請求項５】
透明基板に集光手段を形成する工程と、透明基板の前記集光手段を形成した反対面に感光性材料層を形成する工程と、前記集光手段を介して処理光を前記感光性材料層に照射して、突起形状を形成する工程と、突起形状が形成された前記透明基板表面に光電子放出材料層を形成する工程とを含むことを特徴とする光電子発生素子の作製方法。
【請求項６】
前記感光性材料層に突起形状を形成する工程後に、さらに前記突起形状を透明基板に転写する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の光電子発生素子の作製方法。
【請求項７】
前記突起形状を形成する工程は、感光性材料層に処理光を照射して感光性材料のパターンを形成する工程と、前記形成されたパターンをマスクとして前記透明基板をエッチングし、透明基板に突起形状を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項６に記載の光電子発生素子の作製方法。
【請求項８】
一方の面に複数の微小な突起を有する透明基板と、前記突起部分、あるいは突起を含む前記透明基板の表面に透明基板の表面と微小な突起を覆うように形成された光電子放出材料層と、前記透明基板の他方の面に微小突起に対向した複数の集光手段と、を有し、前記複数の微小突起は前記複数の集光手段を透過した光によって作成されたことを特徴とする光電子発生素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電子発生素子に関するもので、特に空気中にマイナスイオンを発生する素子およびその作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイナスイオンが人体に対して良い結果をもたらすことは知られており、生理作用の改善や医学療法等に利用されるものである。このようなマイナスイオンを発生する方法としては従来例として電極にマイナスの高圧電圧を印加する方法が知られているが、この方法は人体に有害なオゾンが発生し、またマイナスイオンと同時にプラスイオンも発生するため両者が打ち消し合い、発生量が十分に得られない。また高圧の電気を用いるので安全性に問題がある。
【０００３】
一方、特開平７−５７６４３号公報に示されるような光電子材に励起光である紫外線又は放射線を照射する負イオン発生方法は、光電子放出材料に電圧を印加した状態で励起光を照射することで光電子を放出させ、この光電子により空気中の分子をイオン化、マイナスイオンが発生するため、選択的にマイナスイオンのみが発生する。
【０００４】
また特開２００１−３００３４６号公報や特開２００１−１７９８６９号公報では光電子放出材料薄膜の表面に微細な突起形状を形成することで光電子の放出効率を向上している。これは、光電子を放出する材料の表面に存在する結晶粒界等の欠陥では、電子状態が不安定なため、励起光により容易に光電子が放出される現象を積極的に利用したものである。またこのような突起形状を有する光電子放出材料に電圧を印加した場合には、突起先端部に電界が集中するため低い電圧でも効率よく光電子が放出される。
【特許文献１】特開平７−５７６４３号公報（公開日１９９５年３月３日）
【特許文献２】特開２００１−３００３４６号公報（公開日２００１年１０月３０日）
【特許文献３】特開２００１−１７９８６９号公報（公開日２００１年７月３日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の方法では、効果が得られるのは主に突起先端部についてであり、先端部以外、特に平坦部に照射された励起光に対しては効果を示さない。特に電圧を印加した場合には、光電子放出は主に突起先端部からとなるため、突起先端部以外に照射された励起光は光電子放出への寄与が小さく、効率が悪い。
【０００６】
また、通常励起光は人体に有害な紫外線を用いるため、光電子発生材料表面からの反射が問題となる。
【０００７】
したがって本発明の目的は、光電子発生素子に照射された励起光を、光電子が放出されやすい突起先端部に集め、光電子の放出効率を上げることである。また光電子発生材料表面からの反射による人体への影響を軽減する。またこれらの素子の作製方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光電子発生装置は、上記の課題を解決するために、一方の面に複数の微小な突起を有する透明基板と、前記突起部分、あるいは突起を含む前記透明基板の表面に透明基板の表面と微小な突起を覆うように形成された光電子放出材料層と、前記透明基板の他方の面に微小突起に対向した複数の集光手段と、前記集光手段に対して励起光を照射する照射手段を有することを特徴としている。
【０００９】
上記の構成によれば、上記集光手段に対して照射された励起光は、集光手段に従って前記光電子放出材料層の突起部分に集光される。突起部分の光電子放出材料は平坦部の光電子放出材料に比べ特に光電子を放出し易いため、上記の構成により光電子の発生効率を向上することができる。
【００１０】
また、発生効率が向上するため、従来同様の光電子発生量を、従来よりも弱い励起光で実現することができ、励起光となる紫外線の強度を下げることができる。従って励起光の光源の消費電力を低減し、また紫外線の人体への影響を低減することができる。
【００１１】
また励起光は集光されて光電子材料の突起部分に照射されるため、光電子材料からの反射光は発散光となり、距離が離れるとその強度は急激に減少するので、反射光が与える人体への有害な影響を軽減することができる。
【００１２】
また前記構成において、前記各々の集光手段の焦点位置に前記各々の突起が位置することで、最も光電子の発生効率が高い突起の先端に励起光が効率よく集光されるため、光電子の発生効率を向上することができる。
【００１３】
前記の構成は前記透明基板の表面を突起形状に加工、あるいは透明基板の表面に感光性材料で突起形状を形成した後に、透明基板表面に光電子放出材料層を形成することで得ることができる。
【００１４】
また本発明の光電子発生装置は、上記構成にさらに前記光電子放出材料層と前記透明基板の間に透明電極層を備えるとともに、前記複数の突起に対向する対向電極を備え、前記透明電極−対向電極間に電圧を印可することを特徴としている。
【００１５】
前記構成によれば、透明電極を用いることで光電子発生材料の全体に均一な電圧を印加することができる。また印加された電界は前記対向電極と前記突起先端部の間に集中するため、弱い印加電圧でも大きな効果を得ることができる。
【００１６】
また本発明の光電子発生素子の作製方法は透明基板に集光手段を形成する工程と、透明基板の前記集光手段を形成した反対面に感光性材料層を形成する工程と、前記集光手段を介して処理光を前記感光性材料層に照射して、突起形状を形成する工程と、突起形状が形成された前記透明基板表面に光電子放出材料層を形成する工程とを含むことを特徴としている。
【００１７】
上記作製方法によれば、集光手段を介して透明基板表面の感光性材料層に処理光を照射するため、特に位置決め作業を必要とせずに各集光手段の焦点に位置する感光性材料を露光処理することができる。上記露光処理により得られた感光性材料パターンを直接突起形状として利用する、あるいは上記パターンをマスクとして透明基板上に突起形状を形成することで、容易に各集光手段の焦点位置に突起形状を形成することができる。上記の工程により得られた突起の上に光電子発生材料総を形成することで、各集光手段の焦点位置に突起形状を有する光電子材料層が形成された光電子発生素子を作製することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように本発明の光電子発生装置は、
一方の面に複数の微小な突起を有する透明基板と、突起を含む前記透明基板の表面に透明基板の表面と微小な突起を覆うように形成された光電子放出材料層と、前記透明基板の他方の面に微小突起に対向した複数の集光手段と、前記集光手段に対して励起光を照射する照射手段を有することで、光電子を放出し易い突起先端部に励起光を集光して光電子の発生効率を向上することができる。
【００１９】
また、発生効率が向上するため、従来同様の光電子発生量を、従来よりも弱い励起光で実現することができ、励起光となる紫外線の強度を下げることができる。従って励起光の光源の消費電力を低減し、また紫外線の人体への影響を低減することができる。
【００２０】
また励起光は集光されて光電子材料の突起部分に照射されるため、光電子材料からの反射光は発散光となり、距離が離れるとその強度は急激に減少するので、反射光が与える人体への有害な影響を軽減することができる。
【００２１】
また前記構成において、前記各々の集光手段の焦点位置に前記各々の突起が位置することで、最も光電子の発生効率が高い突起の先端に励起光が効率よく集光されるため、光電子の発生効率を向上することができる。
【００２２】
前記の構成は前記透明基板の表面を突起形状に加工、あるいは透明基板の表面に感光性材料で突起形状を形成した後に、透明基板表面に光電子放出材料層を形成することで得ることができる。
【００２３】
また本発明の光電子発生装置は、上記構成にさらに前記光電子放出材料層と前記透明基板の間に透明電極層を備えるとともに、前記複数の突起に対向する対向電極を備え、前記透明電極−対向電極間に電圧を印可することで、光電子発生材料の全体に均一な電圧を印加することができる。また印加された電界は前記対向電極と前記突起先端部の間に集中するため、弱い印加電圧でも大きな効果を得ることができる。
【００２４】
また本発明の光電子発生素子の作製方法によれば、透明基板の表面に形成された感光性材料層に対して、前記透明基板の反対面に形成された集光手段を介して処理光を照射することで、集光手段の焦点位置の感光性材料を露光することができる。従って、特に位置決め作業を必要とせずに各集光手段の焦点に位置する感光性材料を露光処理することができる。上記露光処理により得られた感光性材料パターンを直接突起形状として利用する、あるいは上記パターンをマスクとして透明基板上に突起形状を形成することで、容易に各集光手段の焦点位置に突起形状を形成することができる。上記の工程により得られた突起の上に光電子発生材料層を形成することで、各集光手段の焦点位置に突起形状を有する光電子材料層が形成された光電子発生素子を作製することができる。上記作製方法は、高価なアライメント装置を必要とせず、作成プロセスも簡略化できるため、生産コストの削減、タクトの短縮が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の実施の形態を図で説明する。
【００２６】
図１は本発明の光電子発生装置の断面図を示したものである。透明基板２の表面一方には集光手段であるマイクロレンズアレイ３が形成されている。透明基板２の表面他方には光電子放出材料の薄膜層１が形成されており、その表面は突起形状４を有している。またマイクロレンズの中心と光電子発生材料層に形成された突起形状の中心は、基板に垂直な同一の直線状に位置している。
【００２７】
本発明の光電子放出装置は透明基板２の集光手段であるマイクロレンズアレイ３が形成された側に配置された照射手段１２から励起光５を照射する。このときマイクロレンズアレイ３に対して励起光５を照射することで、励起光５は突起形状４に集光され、光電子放出材料より光電子が放出される。このとき、励起光５は各々の突起に対して集光させる必要があるため、コリメートされていることが好ましい。ここでは集光手段としてマイクロレンズアレイを用いて説明を行っているが、集光するものであれば良い。例えば、マイクロレンズアレイの代わりにホログラム素子を用いても良い。ホログラム素子は、パターニングで作成できるため、突起の形成工程との相性が良く、好適であるといえる。
【００２８】
光電子は突起先端部の光電子放出材料で最も放出され易いため、励起光を集光して選択的に突起形状に当てることで光電子放出の効率を向上できる。またマイクロレンズアレイがない場合と同じ光電子放出量を得る場合には、照射強度を小さくできる。またマイクロレンズアレイを稠密に配置することで、入射した励起光５すべてを突起形状４に当てることができる。
【００２９】
また光電子放出材料層に照射される光は集光されているため、光電子放出材料層から反射された光は発散光となり、その強度は距離が離れると急激に弱くなる。このため反射光の人体への影響が問題とならなくなる。
【００３０】
光電子放出材料は光電効果を示すものであればよく、金属や金属の化合物、合金や混合物などなどが挙げられ、仕事関数が小さいものが望ましい。これらは単体、または２種以上を複合して用いることができる。また光電子放出材料層を多層膜にしてもよい。光電子放出材料層の厚さは、励起光により光電子が放出される厚さであれば良く、通常１ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。
【００３１】
さらに、照射手段を用いた場合だけでは、光電子放出効果が小さい場合もある。その場合、光電子発生素子に対向する位置に対向電極１３を配置し、光電子放出材料層と電極間に電圧を印加手段を組み合わせて使用すれば、光電子の放出が効果的に起こる。特に突起先端部に電界が集中するため、低い印加電圧でも大きな効果が得られる。光電子放出材料層は、抵抗が大きい材料も多く、電圧を印可するには、不適な場合も存在する。その場合、確実な電場形成を行うためには、図２のように基板の上にＩＴＯなどの透明電極材料層６を形成すればよい。このとき、波長の短い励起光でも効率よく透過するように、バンドギャップが大きな透明電極材料を選択するとよい。透明電極材料のバンドギャップが、光電子放出材料の仕事関数より大きい場合、透明電極材料のバンドギャップに対応する光の波長と光電子放出材料の仕事関数に対応する光の波長の間に相当する波長の光を入射することで効率的に光電子を発生することができる。
【００３２】
次に本発明の光電子発生装置のうち、図１における光電子発生素子２０の作製方法について図３を用いて説明する。
【００３３】
図３は光電子発生素子２０の作製工程を段階的に示し、仮想的に基板に垂直な面で切断した断面図である。図３（ａ）において、マイクロレンズアレイ３を有する透明基板２の表面に感光性材料層７を形成する。感光性材料としてはネガレジストや紫外線硬化樹脂などが用いられ、感光性材料層の形成にはスピンコート法などを用いられる。このとき形成する感光性材料層７の厚さは、所望の突起形状の高さよりも大きくする。この透明基板２上のマイクロレンズアレイ３に対して平行にコリメートされた処理光８を入射する。マイクロレンズ３の焦点の位置を基板の表面近傍、あるいは感光性材料層の内部に設定することで、マイクロレンズ３の焦点付近にのみに処理光８が照射されこの位置の感光性材料７が感光する。処理光は感光性材料の光吸収によって基板の厚み方向に向かうにつれてその強度が減少する。また処理光はマイクロレンズ３で集光されるので、マイクロレンズ３の焦点位置に向かって照射領域が小さくなる。この強度の減少と、照射領域の減少との二つの効果により感光性材料は三次元的に感光し、突起形状の感光性材料パターン９が形成される（図３（ｂ））。処理光８の強度および照射時間を調節することで形成される形状を変化させることが可能で、円錐形状や円錐台形状、円筒形状等の突起を形成することができる。またパターン形状はマイクロレンズの開口数によっても変化する。開口数が小さいほど尖り角の小さな突起形状を、大きいほど尖り角の大きな形状を形成するのに適している。開口数は励起光の集光特性に関わるので、所望の光電子発生素子の性能を考慮して適宜選択する。
【００３４】
次に図３（ｃ）では、突起９が形成された基板表面に光電子放出材料層１を形成する。これにより光電子放出材料層の表面に突起形状が形成されたマイクロレンズ付き光電子発生素子が作製される。光電子放出材料層１の形成は下地となる透明基板２の材料と、光電子放出材料によりスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法、メッキによる方法、塗布による方法など適宜用いることができる。また光電子放出材料層１の下に透明電極層を形成する場合には、基板２表面に光電子放出材料層１を形成する前に透明電極層を形成し、その後上記の方法で光電子放出材料層１を形成すればよい。
【００３５】
図４は光電子発生素子の作製方法の第二の実施例で、透明基板２表面に形成された感光性材料層７を、マイクロレンズ３を介した処理光８により感光させ、突起形状９を形成するところまでは同じである。図４（ｃ）では形成された突起形状９と透明基板２表面をエッチングすることにより透明基板２表面に突起形状９を転写し透明基板と同じ材質の突起形状１０を形成する。このとき、感光性材料のエッチングレートと基板のエッチングレートを等しくすると、感光性材料で形成された突起形状がそのまま基板表面に転写される。また基板のエッチングレートを感光性材料のエッチングレートより大きくすることで、転写後の突起形状を基板厚み方向に拡大することができる。
【００３６】
このようにして表面に突起形状１０が形成された基板上に光電子放出材料層１を形成し、光電子発生素子を作製することができる。
【００３７】
この作製方法では形成される突起は基板と同じ材質であるため、基板に例えば合成石英ガラスや硼硅酸ガラスといった紫外線領域においても励起光の吸収がない材料を使うことで、突起内部での励起光の吸収による損失を防ぐことができる。
【００３８】
図５は光電子発生素子の作製方法の第三の実施例を段階的に示した断面図である。図５（ａ）において、マイクロレンズアレイ３を有する透明基板２の表面に感光性材料層７を形成する。このとき形成する感光性材料層７の厚さは特に厚くする必要はなく、０．１μｍ〜数μｍ程度でよい。この透明基板２上のマイクロレンズアレイ３に対して平行にコリメートされた処理光８を入射する。これによりマイクロレンズ３の中心軸と同一軸上に中心を持つ円形領域にのみに処理光が照射されこの位置の感光性材料が感光され、円形パターン１１が形成される（（図５（ｂ））。このとき感光される領域の広さは処理光の強度や時間、あるいはマイクロレンズの焦点位置により適宜調節することができる。
【００３９】
次に図５（ｃ）では円形パターン１１をマスクとして、透明基板２表面をエッチングする。このときエッチングが透明基板２に対して垂直方向のみに行われるようにすれば円筒形状が作成でき、マスク下部のアンダーエッチングを利用すれば円錐形状や円錐台形状が形成できる。円錐形状のエッチング方法は例えばＲＩＥなどのドライエッチング法により垂直方向のみにエッチングできる。円錐形状や円錐台形形状はドライエッチングにおいてはエッチングガス材やガス圧、印加電圧等を制御することでアンダーエッチングが可能で、またウェットエッチングでも形成することができる。
【００４０】
次に図５（ｄ）に示すように、表面に突起形状が形成された基板上に光電子放出材料層を形成し、上記同様の光電子発生素子を作製することができる。
【００４１】
上記作製方法は、集光手段としてマイクロレンズを用いて説明を行ったが、光電子発生装置の説明したのと同様に、マイクロレンズの代わりにホログラムを用いても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の光電子発生素子の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の光電子発生素子の透明電極を付加した形態を示す断面図である。
【図３】本発明の光電子発生素子の第一の作製方法を示す断面図である。
【図４】本発明の光電子発生素子の第二の作製方法を示す断面図である。
【図５】本発明の光電子発生素子の第三の作製方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  光電子放出材料層
２  透明基板
３  集光手段（マイクロレンズ）
４  突起形状
５  励起光
６  透明電極
７  感光性材料層
８  処理光
９  感光性材料突起パターン
１０  透明基板突起形状
１１  感光性材料パターン
１２  照射手段
１３  対向電極
２０  光電子発生素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005074265.tif 000006
【図５】
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