JP2003051244A

JP2003051244A - 電子放出素子、電子源及び画像形成装置

Info

Publication number: JP2003051244A
Application number: JP2001239899A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Sato; 崇広佐藤; Takeo Tsukamoto; 健夫塚本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2003-02-21

Abstract

(57)【要約】【課題】高効率、高信頼性、高速駆動可能、低消費電
力、高プロセス歩留まり、大面積基板対応可能、高精細
に対応可能な電子放出素子、電子源、及び画像形成装置
を提供する。【解決手段】基板１の上面から見て絶縁膜４と陰極３
との一部分が引き出し電極２に覆い被さるように設け
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子、電
子源、及び画像形成装置に関するものであり、テレビ放
送の表示装置、パソコンの表示装置などに適用すること
ができる。

【０００２】

【従来の技術】近年、画像形成装置として液晶を用いた
平板型表示装置がＣＲＴに替わって普及してきた。

【０００３】しかし、液晶を用いた平板型表示装置は自
発光型ではないためにバックライトを必要とし、さらに
消費電力が高いなどの問題を有している。

【０００４】この問題を解決する一つの手段として、一
画素当たりに一つもしくは複数の電界放出型（ＦＥ型）
電子放出素子を備える自発光型の表示装置が提案されて
いる。この自発光型の表示装置であればＣＲＴと同程度
の輝度と、消費電力が達成可能であり、さらに薄くて軽
い画像形成装置を作製できる。

【０００５】従来のＦＥ型電子放出素子としては、スピ
ント型と呼ばれる金属製の円錐または角錐のエミッタを
備えるものがよく知られている。

【０００６】例えば、Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ、”Ｐｈｙ
ｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ−ｆ
ｉｌｍｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄ
ｅｓｗｉｔｈｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍｃｏｎｅ
ｓ”、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、４７、５２４８（１
９７６）に開示されている。

【０００７】これによれば、フォトリソグラフィーの手
法を用いて、数十μｍの間隔で電子放出素子を配列する
ことが可能であり、画像形成装置の一画素内にいくつか
の電子放出素子を作り込むことができる。

【０００８】また、電子放出部材として炭素繊維を用い
たＦＥ型電子放出素子が特開平１１−１１１１６１号公
報にて提案されている。

【０００９】カーボンナノチューブなどの炭素繊維は直
径が数十から数百ｎｍと非常に細く、さらにμｍオーダ
ーの長さを有することから非常に縦横比（アスペクト
比）が大きくなっており、また先端が尖鋭になってい
る。

【００１０】このことから、電界中の炭素繊維の先端で
は電界が強調され、比較的小さな電界中でも電子放出が
起こる。また機械的にも丈夫であることから、現在炭素
繊維は電子放出部材としては最も優れているものとなっ
ている。

【００１１】また、消費電力を少なくするなどの観点か
ら電子放出素子では、陰極から引き出された電子の数に
対して、陽極に到達した電子の数の比（効率）、が非常
に重要である。

【００１２】一般的な陰極、引き出し電極、陽極からな
る電子放出素子では、陰極から放出された電子は陽極に
到達する前に、引き出し電極に衝突、吸収されて効率が
かなり下がってしまう。

【００１３】この効率を上げるためには陰極、引き出し
電極、陽極の位置関係が非常に重要であり、様々な工夫
を凝らした構成が提案されている。

【００１４】例えばＪ．Ｍ．Ｋｉｍ、ｅｔａｌ、“Ｃ
ａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅ−ｂａｓｅｄＦｉｅｌ
ｄＥｍｉｓｓｉｏｎＤｉｓｐｌａｙｓｗｉｔｈ
ＴｒｉｏｄｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ”、Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｓｏｆＴｈｅＳｅｖｅｎｔｈＩｎｔｅｒ
ｎａｔｉｏｎａｌＤｉｓｐｌａｙＷｏｒｋｓｈｏｐ
ｓ、１００３、（２０００）に効率を上げるための工
夫を凝らした陰極、引き出し電極、陽極の位置関係が示
されている（図１１）。

【００１５】ここでは、引き出し電極１０２が陰極１０
３から見て、陽極（図示せず）と反対側に設けられてい
る。

【００１６】この構成にすると、引き出し電極１０２に
よって陰極１０３上のカーボンナノチューブ１０５から
引き出された電子が引き出し電極１０２に衝突する前
に、陽極に引き寄せられる軌道に乗せることができる。

【００１７】すると、放出された電子は引き出し電極１
０２に衝突、吸収されずに陽極に到達し、電子放出素子
の効率をあげることができる。すなわち、効率の良い電
子放出素子を作製するために理想的な電極配置となって
いる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来技術の場合には、下記のような問題が生じて
いた。

【００１９】前述した引き出し電極は、陰極から見て陽
極と反対側に設けられており、さらに、陰極の下部全て
に引き出し電極が存在している構成にすると、引き出し
電極と陰極の間の寄生容量が大きくなり、電子放出素子
を高速で駆動することができない。

【００２０】そればかりか容量成分による消費電力が増
大してしまう。

【００２１】また、寄生容量を低減するためにポリイミ
ド１０６を積んで引き出し電極と陰極との間の距離を大
きくしてあるが、ポリイミド１０６をスピンコートで塗
布しているため厚さの面内不均一性が発生し、しいては
電子放出素子の電子放出しきい値の面内分布にばらつき
ができる。

【００２２】また、ポリイミドのような有機成分を含む
ことで、プロセス温度の上限が低下し、さらにデバイス
としての信頼性も低下してしまう。

【００２３】本発明は上記の従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、高効
率、高信頼性、高速駆動可能、低消費電力、高プロセス
歩留まり、大面積基板対応可能、高精細に対応可能な電
子放出素子、電子源、及び画像形成装置を提供すること
にある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明にあっては、平面を有する絶縁性の基板と、前
記基板上に設けられた第１の電極と、前記第１の電極と
対向して配置され、前記基板上に絶縁層を介して設けら
れる第２の電極と、前記第２の電極上に設けられ、該第
２の電極と電気的に接続された電子放出部材と、を備え
た電子放出素子において、前記絶縁層と前記第２の電極
との一部領域は、前記第１の電極の一部領域を介して前
記基板上に積層されていることを特徴とする。

【００２５】これにより、寄生容量が低減できるため高
速駆動、低電力消費が可能になり、さらに引き出し電極
と陰極との距離が絶縁膜の厚さだけでコントロールで
き、膜厚むらが問題にならない程度の面積の基板に応用
することが可能となる。

【００２６】前記電子放出部材のうち前記第２の電極の
前記一部領域に設けられた領域の前記第１の電極側の端
部の幅をＬ２とし、前記端部に相対する前記第１の電極
の幅をＬ１とした場合に、Ｌ２＞Ｌ１となることも好適
である。

【００２７】これにより、電子ビームの広がりを抑制す
る事が可能である。

【００２８】前記第２の電極は、前記絶縁層上の一部領
域に設けられていることも好適である。

【００２９】前記基板に直交する方向に投影した場合
に、前記絶縁層と前記第２の電極との一部領域が積層さ
れていない前記第１の電極の領域と、該第１の電極上に
設けられた該第２の電極の領域とは、該絶縁層を介して
設けられていることも好適である。

【００３０】これにより、カーボンナノチューブなどの
炭素繊維を電子放出部材として使用したときに、万が一
炭素繊維が陰極から垂れ下がってしまったときにも、第
１の電極と第２の電極とがショートする事態を回避でき
るのでデバイスの歩留まりを向上することができる。

【００３１】前記電子放出部材は、前記第２の電極上で
あって、前記第１の電極の一部領域に略対向した領域に
設けられることも好適である。

【００３２】これにより、例えば電子放出素子を多数集
積するときに、放出させたい電子放出素子に隣接する他
の電子放出素子の第１の電極によって、意図しない方向
に電子が引き出される心配が無くなる。さらには、第２
の電極の第１の電極と対向していない側に他の第１の電
極を近づけられるので、電子放出素子同士の距離を小さ
くすることが可能になり、電子放出素子を高密度に集積
できる。

【００３３】平面を有する絶縁性の基板と、前記基板上
に設けられた引き出し電極と、前記引き出し電極と対向
して配置され、前記基板上に絶縁膜を介して設けられる
陰極と、前記陰極上に設けられ、前記陰極と電気的に接
続された電子放出部材と、前記電子放出部材から放出さ
れた電子が到達する前記基板に平行に対向し設けられた
陽極と、前記陰極と前記引き出し電極との間に電圧を印
加する第１の電圧印加手段と、前記陰極と前記陽極との
間に電圧を印加する第２の電圧印加手段と、を備えた電
子放出素子において、前記基板の上面から見て前記絶縁
膜と前記陰極との一部分が前記引き出し電極に覆い被さ
っていることを特徴とする電子放出素子。

【００３４】これにより、寄生容量が低減できるため高
速駆動、低電力消費が可能になり、さらに引き出し電極
と陰極との距離が絶縁膜の厚さだけでコントロールで
き、膜厚むらが問題にならない程度の面積の基板に応用
することが可能となる。

【００３５】前記引き出し電極の幅であって、前記絶縁
膜と前記陰極との一部分が覆い被さる方向に略直交する
方向の幅をＬ１とし、前記陰極の前記一部分のうち前記
引き出し電極側の端部の幅をＬ２とした場合に、Ｌ２＞
Ｌ１となることも好適である。

【００３６】これにより、電子ビームの広がりを抑制す
る事が可能である。

【００３７】前記陰極の前記引き出し電極と対向してい
る側において、前記陰極が前記絶縁膜の上面を全て覆っ
ておらず、前記絶縁膜の上面の一部が露出していること
も好適である。

【００３８】これにより、カーボンナノチューブなどの
炭素繊維を電子放出部材として使用したときに、万が一
炭素繊維が陰極から垂れ下がってしまったときにも、陰
極と引き出し電極とがショートする事態を回避できるの
でデバイスの歩留まりを向上することができる。

【００３９】前記電子放出部材が前記陰極上の前記引き
出し電極と対向する側付近に設けられていることも好適
である。

【００４０】これにより、例えば電子放出素子を多数集
積するときに、放出させたい電子放出素子に隣接する他
の電子放出素子の引きだし電極によって、意図しない方
向に電子が引き出される心配が無くなる。さらには、陰
極の引き出し電極と対向していない側に他の引き出し電
極を近づけられるので、電子放出素子同士の距離を小さ
くすることが可能になり、電子放出素子を高密度に集積
できる。

【００４１】前記電子放出部材は、炭素を主成分とする
材料で構成されていることも好適である。

【００４２】前記炭素を主成分とする材料は、繊維状カ
ーボンの集合体であることも好適である。

【００４３】前記繊維状カーボンの集合体は、触媒微粒
子を介して成長したグラファイトナノファイバー，カー
ボンナノチューブ，アモルファスカーボンもしくはこれ
らの混合物からなることも好適である。

【００４４】前記触媒微粒子は、Ｐｄ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ若しくはこれらの合金からなることも好適である。

【００４５】電子源にあっては、上記記載の電子放出素
子を複数個並列に配置し結線してなる素子列を少なくと
も１列以上有してなることを特徴とする。

【００４６】電子源にあっては、上記記載の電子放出素
子を複数個配列してなる素子列を少なくとも１列以上有
し、該素子を駆動するための配線がマトリクス配置され
ていることを特徴とする。

【００４７】画像形成装置にあっては、上記記載の電子
源と、該電子源から放出された電子によって画像を形成
する画像形成部材と、を備えることを特徴とする。

【００４８】前記画像形成部材は、電子の衝突によって
発光する蛍光体であることも好適である。

【００４９】情報信号により各電子放出素子の電子量を
制御する機構を備えたことも好適である。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される
装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきもので
あり、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣
旨のものではない。

【００５１】（第１の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施の形態に係る電子放出素子を示す概略図である。
図１（ａ）は基板１の上面から、また（ｂ）はＡ−Ａ’
断面を側面から見たものである。

【００５２】図に示す本実施の形態に係る電子放出素子
において、１は絶縁性の基板、２は第１の電極としての
引き出し電極、３は第２の電極としての陰極、４は絶縁
膜（絶縁層）、５は電子放出部材を示しており、電子放
出素子は、概略、基板１と、基板１上に積層される引き
出し電極２と、基板１及び引き出し電極２上に積層され
る絶縁膜４と、絶縁膜４上に積層される陰極３と、陰極
３上に設けられた電子放出部材５と、を備えている。

【００５３】基板１の材料としては、表面を十分に洗浄
した、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を減少させＫ
等に一部置換したガラス、青板ガラス及びシリコン基板
等にスパッタ法などによってＳｉＯ₂を積層した積層
体、アルミナなどのセラミックの絶縁性基板が挙げられ
る。

【００５４】引き出し電極２及び陰極３は導電性を有し
ており、蒸着法、スパッタ法などの一般的真空成膜技
術、フォトリソグラフィー技術によって形成される。

【００５５】引き出し電極２及び陰極３の材料には例え
ば、炭素、金属、金属の窒化物、金属の炭化物、金属の
ホウ化物、半導体、半導体の金属化合物から適宜選択さ
れる。また、引き出し電極２及び陰極３の厚さは、数十
ｎｍから数十μｍの範囲で選択される。

【００５６】絶縁膜４はスパッタ法などの一般的真空成
膜技術、フォトリソグラフィー技術によって形成され
る。絶縁膜４の材料には例えば、ＳｉＯ₂，ＳｉＮ，Ａ
ｌ₂Ｏ₃などの絶縁性材料から適宜選択される。絶縁膜４
の厚さは、数十ｎｍから数十μｍの範囲で選択される。

【００５７】電子放出部材５はスパッタ法等の一般的な
真空成膜法等で堆積した膜をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ
ＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）などの手法を用いてエミッ
ター形状に加工する場合と、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）における核成長
を利用した針状結晶の成長や、ひげ結晶の成長などを利
用する場合と、予めアーク放電などで作製した炭素繊維
をペーストにして、スクリーン印刷などで塗布する場合
と、陰極３上に触媒微粒子を散布し炭化水素雰囲気中で
のＣＶＤなどで炭素繊維を成長させて作製する場合など
がある。

【００５８】エミッター形状の制御はＲＩＥの場合には
用いる基板の種類、ガスの種類、ガス圧力（流量）、エ
ッチング時間、プラズマを形成する時のエネルギーなど
に依存する。

【００５９】一方、ＣＶＤによる形成方法では基板の種
類、ガスの種類、流量、成長温度などで制御される。電
子放出部材５に用いる材料は、ＴｉＣ，ＺｒＣ，Ｈｆ
Ｃ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ等の炭化物、アモルファスカ
ーボン、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、
ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等、あるい
はカーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバー
などの炭素繊維などが良い。

【００６０】その中でも今回は触媒を利用して成長した
炭素繊維を使用した。

【００６１】炭素繊維の成長に使用する触媒材料として
はＦｅ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｎｉなどを使用することができ
る。特に、Ｐｄ，Ｃｏ，Ｎｉにおいては低温（３５０℃
以上の温度）でグラファイトナノファイバーを生成する
ことが可能である。

【００６２】Ｆｅなどを用いたカーボンナノチューブの
生成温度は８００℃以上必要であることから、低温で生
成可能なグラファイトナノファイバーは、他部材へ影響
や、製造コストを低減するという観点で好ましい。

【００６３】前述した炭化水素ガスとしては、例えば、
エチレン、メタン、プロパン、プロピレン、アセチレン
などのガスを用いる。また炭化水素ガスの代わりにＣ
Ｏ，ＣＯ₂などの炭酸ガスやエタノール、アセトンなど
の有機溶剤の蒸気を用いることもできる。

【００６４】ここで、本実施の形態の特徴的な構成とし
て、図１（ｂ）のＡ−Ａ’断面図に示されているよう
に、引き出し電極２と陰極３とは絶縁膜４を挟んで、一
部分のみが重なり合っている、すなわち、基板の上面か
ら見て絶縁膜４と陰極３との一部分が引き出し電極２に
覆い被さっている（絶縁膜４と陰極３との一部領域は、
引き出し電極２の一部領域を介して基板１上に積層され
ている）。

【００６５】本発明者らは、電子放出素子を上面から観
察したときに引き出し電極２と陰極３とのごく一部分の
みが重なり合うような電極配置にすることで問題点を解
決できることを見いだした。

【００６６】すなわち、絶縁膜４をはさんで引き出し電
極２と陰極３とが重なり合う面積が縮小すれば、寄生容
量（キャパシタンス）が大幅に低減できるので、電子放
出素子を高速に駆動することができ、さらに、消費電力
を低減することができるようになるので画像形成装置に
適用する場合にも有利となる。

【００６７】さらに、従来のようにポリイミドにより嵩
上げを行わなくてもよいのでプロセスの歩留まり、デバ
イス信頼性ともに向上させることができ、コストが低減
する。

【００６８】さらに、引き出し電極２と陰極３との距離
が絶縁膜４の厚さだけでコントロールできる特徴もあ
る。例えば、絶縁膜４をプラズマＣＶＤで成膜する場合
には６００×７２０ｍｍ²基板で膜厚ばらつきを１０％
以内に抑えることができるので、大型基板にでも均一性
良く電子放出素子を作り込むことができる。

【００６９】また、陰極３からみて引き出し電極２が陽
極（図示しないが基板１に平行に対向して設けられてい
る）と反対側に位置しているために、引き出し電極２に
正の駆動電圧を与えて陰極３から引き出される電子は、
引き出し電極２に衝突、吸収されずに陽極に到達するこ
とができる。

【００７０】結果、陰極３から引き出された電子の内の
ほとんどが陽極に到達でき、効率が上がることになる。

【００７１】以上に記載した電子放出素子の作製方法に
ついて図２に詳細に記述した。

【００７２】まず、（ａ）において絶縁性の基板１に石
英基板を使用し、その上に引き出し電極２を作製した。
引き出し電極２はＴｉ／Ｐｔをそれぞれ５００／５００
Åの厚さにＥＢ蒸着したものであり、リフトオフ法にて
作製した。

【００７３】次に、（ｂ）において絶縁膜４，陰極３，
触媒６を順に積層した。

【００７４】絶縁膜４はＳｉＯ₂をスパッタ法にて１μ
ｍの厚さ蒸着したものであり、陰極３はＴｉ／Ｐｔをそ
れぞれ５００／５００Åの厚さにスパッタ蒸着したもの
であり、触媒６はＰｄを５ｎｍの厚さにスパッタ蒸着し
たものである。

【００７５】次に、（ｃ）においてレジスト７を絶縁膜
４，陰極３，触媒６の残すべき部分を覆う様にパターニ
ングして、このレジスト７をマスクにして触媒６，陰極
３，絶縁膜４に対して順にドライエッチングを行った。
触媒６と陰極３のドライエッチングの条件はＡｒ，３０
ｓｃｃｍ（１ｓｃｃｍ＝１．６８×１０^-3Ｐａ・ｍ³／
ｓ），０．５Ｐａ，３００Ｗであり、絶縁膜４のドライ
エッチングの条件はＳＦ₆，５０ｓｃｃｍ，２Ｐａ，３
００Ｗであった。

【００７６】次に、（ｄ）においてレジスト７を剥離し
て触媒６を露出させた。レジスト７の剥離は約７０℃に
加熱した剥離液に基板１を浸すことにより行った。

【００７７】最後に、（ｅ）において電子放出部材５と
なる炭素繊維を成長させて、電子放出素子を完成させ
た。

【００７８】今回は圧力１Ｐａエチレンガス雰囲気中
で、基板１を６００℃に加熱し、１時間待機することで
長さが約２μｍ，太さが１０ｎｍのグラファイトナノフ
ァイバーを成長した。

【００７９】（第２の実施の形態）図３は、本発明の第
２の実施の形態に係る電子放出素子の概略図である。図
３（ａ）は基板１の上面から、また（ｂ）はＡ−Ａ’断
面を側面から、（ｃ）はＢ−Ｂ’断面を側面から見たも
のである。なお、上述した実施の形態と同様の構成部分
については同一の符号を付して、その説明は省略する。

【００８０】本実施の形態の特徴的な構成としては、第
１の実施の形態に係る電子放出素子に対して、陰極３上
の電子放出部材５の配置が、引き出し電極２側の電子放
出部材５の幅をＬ２とし、電子放出部材５側の引き出し
電極２の幅をＬ１とした場合に、Ｌ２＞Ｌ１となるよう
に設けている。

【００８１】このような素子構成として真空装置内に設
置し、基板から所定の高さの位置に陽極（以下アノー
ド）を設け、陰極３に対して引き出し電極２にある正の
電圧Ｖｆ、陰極３に対してアノードにある正の電圧Ｖａ
を印加して駆動させると、この場合電子放出部材５にお
いて最も電界の集中する点は、Ｘ−Ｚ平面図（図３
（ｂ））で見ると、図３（ａ）で示される電子放出部材
５のうち最も引き出し電極２より、かつ、アノード側の
場所（図３（ａ）に示すＥ２）となる。

【００８２】また、引き出し電極２側からＹ−Ｚ平面図
（図３（ａ））で見ると、図３（ｃ）に示すように電界
集中する場所は、引出し電極２が形成されている幅Ｌ１
の近傍である。

【００８３】よって、電子放出部材５において電子放出
が起こりやすい場所は上記の電界集中点近傍となる。

【００８４】ここで、図３（ｃ）ついて、Ｙ軸方向に電
子が取り出される電界（ここでは便宜的に、Ｙ方向電界
と呼ぶ）と、アノードに向かう電界（ここではＺ方向電
界と呼ぶ）について考える。

【００８５】Ｖｆを増加させていく時、電子放出は上記
の電子放出の起こり易い領域から始まり、Ｖｆが大きく
なる程に電子放出領域が拡大される。

【００８６】電子放出部材５のある点においての放出電
流密度Ｊはその点にかかる電界Ｅと仕事関数φによって
決まり、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式によれ
ば、電界Ｅにより放出電流密度Ｊは指数関数的に変化す
る。

【００８７】また、電界ＥはＶｆと引き出し電極２から
の距離Ｄ、電界増幅係数β（電子放出材料表面での原子
レベルの凹凸及び、スピント型のエミッタの先端のよう
な電子放出材料のマクロ的な形状効果等による）によっ
て定められ、これらの間にはＥ＝β（Ｖｆ／Ｄ）という
関係がある。

【００８８】ここで用いた電子放出部材５においての仕
事関数φ及び、βを同一とすると、電子放出は引出し電
極２からの距離Ｄによって左右される。

【００８９】本実施の形態に係る電子放出素子では図３
（ａ）のように電子放出部材５の形成領域幅Ｌ２を、引
出し電極２の幅Ｌ１よりも広くする事により、図３
（ｃ）に示すようにＹ−Ｚ平面にて、形成した電子放出
部材５において等電位面が曲がりＹ方向電界の歪みを生
じる電子放出部材５の端部ＥまたはＥ’の部分と引出し
電極からの距離を遠くしてその部分の電界を弱め、端部
ＥまたはＥ’の部分からの電子放出を抑制する。

【００９０】電子放出を、図３（ｃ）に示すように、Ｙ
−Ｚ平面図においてＹ方向電界の歪みのない引き出し電
極２の幅Ｌ１近傍からのみ起こさせる事により、放出さ
れた電子ビームのＹ方向への広がりを抑制する事ができ
る。

【００９１】図４に比較例を示すようにＬ１よりもＬ２
のほうが狭くなる時又は、Ｌ２とＬ１が同程度の時は、
電子放出部材５の端部（Ｙ方向電界が歪む領域）から放
出された電子が周辺の電場の歪みにそってＹ方向に広が
っていく事になる。

【００９２】さらに、電子放出部材５の端部ではマクロ
的な形状効果が働き、他の領域よりも電子が放出し易い
ため、電子ビーム形状に対する端部から放出された電子
の影響は無視する事ができず好ましくない。

【００９３】次に、図３（ｂ）について、引き出し電極
方向であるＸ軸方向に電子が取り出される電界（Ｘ方向
電界と呼ぶ）と、アノードに向かう電界（Ｚ方向電界と
呼ぶ）について考える。

【００９４】電子放出部材５から放出された電子は最
初、Ｘ方向電界によって引き出され、引き出し電極に向
かった後に、Ｚ方向電界によって引き上げられアノード
に到達する。

【００９５】このときＸ方向電界とＺ方向電界の強度比
及び電子放出点の相対位置が重要となる。

【００９６】Ｘ方向電界が、Ｚ方向電界と比較して桁で
強い場合には、取り出された電子のほとんどは、Ｘ方向
電界で形成される放射状電位によって次第に軌道を曲げ
られ、引き出し電極２に向かう軌道をとる。

【００９７】引き出し電極２に衝突した電子は散乱によ
って再び放出され、Ｚ方向電界に捉えられるまでは、何
度も楕円に似た軌道を描いてゲート上を広がりながら、
自ら電子の数を減じながら散乱を繰り返す事となる。

【００９８】本実施の形態の電子放出素子では、Ｘ方向
電界とＺ方向電界とを同程度にする事で、取り出された
電子は、やはり放射状電位によって軌道が曲げられるも
のの、電界による束縛がゆるくなり、引き出し電極２に
衝突することなしにＺ方向電界に捉えられる電子軌道を
出現させる事が可能である。

【００９９】さらに、Ｘ方向電界とＺ方向電界が同程度
の時、電子の放出点位置を、引き出し電極２の属する平
面からアノードの属する平面側に持ち上げる（図３
（ｂ）に示すように）と、放出された電子は全く引き出
し電極２に衝突せずに、Ｚ方向電界に捉えられる軌道を
描くことが可能である。

【０１００】以上のような効果により、本実施の形態に
係る電子放出素子によれば、電子ビームの広がりを少な
くする事が可能である。したがって、より高精細な画像
を得ることが可能となる。

【０１０１】（第３の実施の形態）図５は本発明の第３
の実施の形態に係る電子放出素子を示す概略図である。
図５（ａ）は基板１の上面から、また（ｂ）はＡ−Ａ’
断面を側面から見たものである。なお、上述した実施の
形態と同様の構成部分については同一の符号を付して、
その説明は省略する。

【０１０２】本実施の形態では、第１の実施の形態に係
る電子放出素子に対して、陰極３の引き出し電極２と対
向している側において、陰極３が絶縁膜４の上面を全て
覆っておらず、絶縁膜４の上面の一部が露出している
（基板１に直交する方向に投影した場合に、絶縁膜４と
陰極３との一部領域が積層されていない引き出し電極２
の領域と、引き出し電極２上に設けられた陰極３の領域
とは、絶縁膜４を介して設けられている）。

【０１０３】図５のような形態をとると、例えば電子放
出部材５にカーボンナノファイバの様な炭素繊維を採用
したときに、炭素繊維が上部にある陰極３から下部にあ
る引き出し電極２に垂れ下がって接触し、陰極３と引き
出し電極２とが電気的に短絡することを予防できる。

【０１０４】陰極３と引き出し電極２とが短絡してしま
うと電子放出素子が電子を放出しなくなるので、電子放
出素子を以上のような形態にすることで素子の歩留まり
が向上し、ついては多くの電子放出素子を基板に作り込
むことが可能になる。

【０１０５】以上に記載した電子放出素子の作製方法に
ついて図６に詳細に記述した。

【０１０６】まず、（ａ）において絶縁性の基板１にＮ
ａ等の不純物含有量を減少させＫ等に一部置換したガラ
スを使用し、その上に引き出し電極２を作製した。

【０１０７】引き出し電極２はＣｒ／Ｐｔをそれぞれ５
００／５００Åの厚さにＥＢ蒸着したものであり、リフ
トオフ法にて作製した。

【０１０８】次に、（ｂ）において絶縁膜４，陰極３，
触媒６を順に積層し、さらに陰極３，と触媒６の必要な
部分のみを覆うようにレジスト７をパターニングした。

【０１０９】絶縁膜４はＳｉＯ₂をプラズマＣＶＤ法に
て１μｍの厚さ堆積させたものであり、陰極３はＣｒ／
Ｐｔをそれぞれ５００／５００Åの厚さにスパッタ蒸着
したものであり、触媒６はＮｉを５ｎｍの厚さにスパッ
タ蒸着したものである。

【０１１０】次に、（ｃ）においてレジスト７をマスク
にして陰極３，触媒６に対して順にドライエッチングを
行った。触媒６と陰極３のドライエッチングの条件はＡ
ｒ，３０ｓｃｃｍ，０．５Ｐａ，３００Ｗであった。

【０１１１】次に、（ｄ）においてレジスト７を剥離し
て、さらに絶縁膜の残す部分を覆うようにレジスト８を
パターニングして、このレジスト８をマスクにして絶縁
膜４をドライエッチングした。

【０１１２】レジスト７の剥離は約７０℃に加熱した剥
離液に基板１を浸すことにより行った。また絶縁膜４の
ドライエッチングの条件はＳＦ₆，５０ｓｃｃｍ，２Ｐ
ａ，３００Ｗであった。

【０１１３】次に、（ｅ）において、（ｄ）と同様にし
てレジスト８を剥離した。

【０１１４】最後に、（ｆ）において電子放出部材５と
なる炭素繊維を成長させて、電子放出素子を完成させ
た。

【０１１５】今回は圧力０．１Ｐａアセトン蒸気雰囲気
中で、基板１を５００℃に加熱し、１時間待機すること
で長さが約２μｍ，太さが１０ｎｍのグラファイトナノ
ファイバーを成長した。

【０１１６】（第４の実施の形態）図７は本発明の第４
の実施の形態に係る電子放出素子を示す概略図である。
図７（ａ）は基板１の上面から、また（ｂ）はＡ−Ａ’
断面を側面から見たものである。なお、上述した実施の
形態と同様の構成部分については同一の符号を付して、
その説明は省略する。

【０１１７】本実施の形態では、第１の実施の形態に対
して、陰極３の引き出し電極２と対向している側におい
て、陰極３が絶縁膜４の上面を全て覆っておらず、絶縁
膜４の上面の一部が露出している。さらに、電子放出部
材５が陰極３上の引き出し電極２と対向する側付近にの
み設けられている（電子放出部材５は、陰極３上であっ
て、引き出し電極２の一部領域を介して基板１上に積層
され引き出し電極２の一部領域に略対向した領域に設け
られている）。

【０１１８】図７に示す本実施の形態のような形態をと
ることで、陰極３の引き出し電極２と対向していない側
に他の引き出し電極２を近づけられるので、例えば電子
放出素子を高密度に集積したいときに有利である。

【０１１９】以上に記載した電子放出素子の作製方法に
ついて図８に詳細に記述した。

【０１２０】まず、（ａ）において絶縁性の基板１に青
板ガラスを使用し、その上に引き出し電極２を作製し
た。

【０１２１】引き出し電極２はＣｒ／Ｐｔをそれぞれ５
００／５００Åの厚さでスパッタ法にて蒸着し、引き出
し電極２を作製したい箇所にレジストをパターニングし
て、そのレジストをマスクにしてドライエッチングをし
て作製した。

【０１２２】次に、（ｂ）において絶縁膜４を積層し、
さらに絶縁膜４の必要な部分のみを覆うようにレジスト
をパターニングして、そのレジストをマスクにしてドラ
イエッチングをして所望の形状を得た。

【０１２３】絶縁膜４はＳｉＯ₂をプラズマＣＶＤ法に
て１μｍの厚さ堆積させたものであり、絶縁膜４のドラ
イエッチングの条件はＳＦ₆，５０ｓｃｃｍ，２Ｐａ，
３００Ｗであった。

【０１２４】次に、（ｃ）において絶縁膜４上の陰極３
を作製したい箇所のみが露出するようにレジスト７をパ
ターニングをして、その上から陰極３を蒸着した。

【０１２５】陰極３にはＴｉ／Ｐｔをそれぞれ５００／
５００Åの厚さにＥＢ蒸着したものを使用した。

【０１２６】次に、（ｄ）において陰極３の引き出し電
極２と対向する側付近のみが露出するようにレジスト８
をパターニングして、その上から触媒６を蒸着した。

【０１２７】触媒６はスパッタ法にてＣｏを１０ｎｍの
厚さ蒸着したものを使用した。

【０１２８】次に、（ｅ）においてレジスト７とレジス
ト８を同時に剥離した。

【０１２９】レジスト７及びレジスト８の剥離は約７０
℃に加熱した剥離液に基板１を浸すことにより行った。

【０１３０】最後に、（ｆ）において電子放出部材５と
なる炭素繊維を成長させて、電子放出素子を完成させ
た。

【０１３１】今回は圧力０．５Ｐａアセチレンガス雰囲
気中で基板１を５００℃に加熱し、１時間待機すること
で長さが約２μｍ、太さが１０ｎｍのグラファイトナノ
ファイバーを成長した。

【０１３２】以上の様な方法で電子放出素子をマトリッ
クス状に作製した電子源を図９に示す。

【０１３３】この時、電子放出素子は５０μｍ間隔で配
置されており、１０００×１０００のマトリックス内で
の絶縁膜４の膜厚ばらつきはほとんど０％であった。絶
縁膜４の厚さが２μｍの時、電子放出素子の陰極３と引
き出し電極２との間に電圧を印加することで電子が放出
し始めるしきい値電圧は６Ｖであった。さらに、マトリ
ックス内の各々の電子放出素子のしきい値電圧のばらつ
きは１％以内に納めることができた。

【０１３４】以上の測定は、基板１に対向して平行にな
るように陽極板（図示せず）を設置して、陽極板に陰極
３に対して正電圧２ｋＶを印加して、２×１０^-8Ｔｏｒ
ｒ（２．６６×１０^-6Ｐａ）の真空中で行った。

【０１３５】図９の電子源内の各々の電流放出素子で
は、電子放出部材５が陰極３上の引き出し電極２と対向
する側近傍にのみ設けた。これにより、素子同士を近づ
けても隣接する素子の引き出し電極２に印加される電圧
によって、電子放出部材５から電子が他方向に引き出さ
れる心配がない。結果として、電子放出素子が高密度に
集積された電子源を作製することができ、高精細な画像
形成装置を作製する場合などに有利である。

【０１３６】図１０は図９に示した電子放出素子がマト
リックス状に配置されている電子源を利用して、情報信
号により各電子放出素子の電子量を制御する機構を備え
た画像形成装置を構成したものを示す図である。

【０１３７】図１０において、７１は電子放出素子を複
数配した電子源基体、８１は電子源基体７１を固定した
リアプレート、８６はガラス基体８３の内面に蛍光膜
（画像形成部材としての蛍光体）８４とメタルバック８
５等が形成されたフェースプレートである。

【０１３８】８２は支持枠であって、リアプレート８
１，フェースプレート８６がフリットガラス等を用いて
接続されている。８７は外囲器であり、真空中で４５０
度程度の温度で１０分焼成することで封着して構成され
る。７４は電子放出素子に相当する。７２は引き出し電
極、７３は陰極である。

【０１３９】外囲器８７は、上述の如く、フェースプレ
ート８６，支持枠８２，リアプレート８１で構成され
る。一方、フェースプレート８６，リアプレート８１間
に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置するこ
とにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器８７
を構成した。

【０１４０】メタルバックは、蛍光膜作製後、蛍光膜の
内面側表面の平滑化処理（通常、「フィルミング」と呼
ばれる。）を行い、その後Ａｌを真空蒸着等を用いて堆
積させることで作られた。

【０１４１】フェースプレート８６には、更に蛍光膜８
４の導電性を高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明電
極（不図示）を設けた。前述の封着を行なう際には、カ
ラーの場合は各色蛍光体と電子放出素子とを対応させる
必要があり、十分な位置合わせが不可欠となる。

【０１４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高効率、高信頼性、高速駆動可能、低消費電力、高プロ
セス歩留まり、大面積基板対応可能、高精細に対応可能
な電子放出素子、電子源、及び画像形成装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電子放出素子
を示す概略図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電子放出素子
の作製方法を示す概略図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る電子放出素子
を示す概略図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電子放出素子
と比較する電子放出素子を示す概略図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る電子放出素子
を示す概略図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態に係る電子放出素子
の作製方法を示す概略図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態に係る電子放出素子
を示す概略図である。

【図８】本発明の第４の実施の形態に係る電子放出素子
の作製方法を示す概略図である。

【図９】本発明の第４の実施の形態に係る電子放出素子
をマトリックス配置して作製した電子源を示す概略図で
ある。

【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る電子源を利
用した画像形成装置を示す概略図である。

【図１１】従来例を示す概略図である。

【符号の説明】

１基板２引きだし電極３陰極４絶縁膜５電子放出部材６触媒７，８レジスト７１電子源基体７２引きだし電極７３陰極７４電子放出素子８１リアプレート８２支持枠８３ガラス基体８４蛍光膜８５メタルバック８６フェースプレート８７外囲器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平面を有する絶縁性の基板と、前記基板上に設けられた第１の電極と、前記第１の電極と対向して配置され、前記基板上に絶縁
層を介して設けられる第２の電極と、前記第２の電極上に設けられ、該第２の電極と電気的に
接続された電子放出部材と、を備えた電子放出素子において、前記絶縁層と前記第２の電極との一部領域は、前記第１
の電極の一部領域を介して前記基板上に積層されている
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】前記電子放出部材のうち前記第２の電極の
前記一部領域に設けられた領域の前記第１の電極側の端
部の幅をＬ２とし、前記端部に相対する前記第１の電極の幅をＬ１とした場
合に、Ｌ２＞Ｌ１とな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】前記第２の電極は、前記絶縁層上の一部領
域に設けられて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】前記基板に直交する方向に投影した場合
に、前記絶縁層と前記第２の電極との一部領域が積層さ
れていない前記第１の電極の領域と、該第１の電極上に
設けられた該第２の電極の領域とは、該絶縁層を介して
設けられていることを特徴とする請求項１，２または３
に記載の電子放出素子。
【請求項５】前記電子放出部材は、前記第２の電極上で
あって、該第１の電極の一部領域に略対向した一部領域
に設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
か１項に記載の電子放出素子。
【請求項６】平面を有する絶縁性の基板と、前記基板上に設けられた引き出し電極と、前記引き出し電極と対向して配置され、前記基板上に絶
縁膜を介して設けられる陰極と、前記陰極上に設けられ、前記陰極と電気的に接続された
電子放出部材と、前記電子放出部材から放出された電子が到達する前記基
板に平行に対向し設けられた陽極と、前記陰極と前記引き出し電極との間に電圧を印加する第
１の電圧印加手段と、前記陰極と前記陽極との間に電圧を印加する第２の電圧
印加手段と、を備えた電子放出素子において、前記基板の上面から見て前記絶縁膜と前記陰極との一部
分が前記引き出し電極に覆い被さっていることを特徴と
する電子放出素子。
【請求項７】前記引き出し電極の幅であって、前記絶縁
膜と前記陰極との一部分が覆い被さる方向に略直交する
方向の幅をＬ１とし、前記陰極の前記一部分のうち前記引き出し電極側の端部
の幅をＬ２とした場合に、Ｌ２＞Ｌ１となることを特徴とする請求項６に記載の電
子放出素子。
【請求項８】前記陰極の前記引き出し電極と対向してい
る側において、前記陰極が前記絶縁膜の上面を全て覆っ
ておらず、前記絶縁膜の上面の一部が露出していること
を特徴とする請求項６または７に記載の電子放出素子。
【請求項９】前記電子放出部材が前記陰極上の前記引き
出し電極と対向する側付近に設けられていることを特徴
とする請求項６，７または８に記載の電子放出素子。
【請求項１０】前記電子放出部材は、炭素を主成分とす
る材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至
９のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項１１】前記炭素を主成分とする材料は、繊維状
カーボンの集合体であることを特徴とする請求項１０に
記載の電子放出素子。
【請求項１２】前記繊維状カーボンの集合体は、触媒微
粒子を介して成長したグラファイトナノファイバー，カ
ーボンナノチューブ，アモルファスカーボンもしくはこ
れらの混合物からなることを特徴とする請求項１１に記
載の電子放出素子。
【請求項１３】前記触媒微粒子は、Ｐｄ，Ｎｉ，Ｆｅ，
Ｃｏ若しくはこれらの合金からなることを特徴とする請
求項１２に記載の電子放出素子。
【請求項１４】請求項１乃至１３のいずれか１項に記載
の電子放出素子を複数個並列に配置し結線してなる素子
列を少なくとも１列以上有してなることを特徴とする電
子源。
【請求項１５】請求項１乃至１３のいずれか１項に記載
の電子放出素子を複数個配列してなる素子列を少なくと
も１列以上有し、該素子を駆動するための配線がマトリ
クス配置されていることを特徴とする電子源。
【請求項１６】請求項１４または１５に記載の電子源
と、該電子源から放出された電子によって画像を形成す
る画像形成部材と、を備えることを特徴とする画像形成
装置。
【請求項１７】前記画像形成部材は、電子の衝突によっ
て発光する蛍光体であることを特徴とする請求項１６に
記載の画像形成装置。
【請求項１８】情報信号により各電子放出素子の電子量
を制御する機構を備えたことを特徴とする請求項１６ま
たは１７に記載の画像形成装置。