JP3829128B2

JP3829128B2 - 電子放出素子

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Publication number: JP3829128B2
Application number: JP2003154528A
Authority: JP
Inventors: 幸久武内; 七瀧　　努; 大和田　　巌
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: EP1424715A1; JP2004228061A

Description

【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の電極とその間のスリットにて形成された電子放出素子に関する。
【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】
本発明は、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において、電子放出に伴う第１の電極での損傷を抑制することができ、長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる電子放出素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電子放出素子は、誘電体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の電極と、前記エミッタ部に接して形成され、前記第１の電極と共にスリットを形成する第２の電極とを有し、前記第１の電極と前記第２の電極間に駆動電圧が印加されることによって、少なくとも前記エミッタ部の前記スリットから露出する部分が分極反転されることで電子放出を行う電子放出素子において、少なくとも前記第２の電極の表面に帯電膜が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
この場合、前記エミッタ部は、圧電材料、反強誘電体材料又は電歪材料にて構成することができる。
【００１１】
そして、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で分極反転が行われるようにしてもよい。この場合、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が好ましい。このとき、前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧Ｖａｋの絶対値が１００Ｖ未満となるように、前記スリットの幅ｄを設定するようにしてもよい。
【００１２】
ここで、電子放出に伴う電子の増倍作用と第１の電極への影響について説明する。まず、第１の電極と第２の電極間に駆動電圧が印加されることによって、少なくともエミッタ部のスリットから露出する部分が分極反転され、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。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。
【００１３】
電子放出素子が前記第１の電極、前記エミッタ部の前記スリットから露出する部分及び真空雰囲気の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。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。
【００１４】
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駆動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。
【００１５】
そして、この電子放出素子を例えばディスプレイの画素として利用する場合は、エミッタ部の上方のうち、前記スリットに対向した位置に第３の電極が配置され、該第３の電極には蛍光体が塗布されることになる。この場合、放出された電子のうち、一部の電子はコレクタ電極に導かれて蛍光体を励起し、外部に蛍光体発光として具現されることになる。他の一部の電子は、第２の電極に引かれる。
【００１６】
第２の電極に引かれた電子は、主に第２の電極の近傍に存在する気体又は第２の電極を構成する原子等を正イオンと電子に電離する。前記第２の電極の近傍に存在する前記第２の電極を構成する原子は、該第２の電極の一部が蒸散した結果生じた原子であり、該原子は前記第２の電極の近傍に浮遊している。そして、前記電離によって発生した電子が更に前記気体や前記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。
【００１７】
電子放出時における第１の電極と第２の電極間の電圧Ｖａｋは、前記電子の増倍機構によって、放電維持電圧レベルまで小さくなり、短絡のような状態となっている。
【００１８】
そして、前記電離によって発生した正イオンが例えば第１の電極に衝突することによって第１の電極が損傷する場合がある。
【００１９】
そこで、本発明では、少なくとも前記第２の電極の表面に帯電膜を形成する。上述のように、エミッタ部から放出された電子の一部が第２の電極に引かれると、帯電膜の表面を負極性に帯電させる。これにより、第２の電極の正極性が弱められ、第１の電極と第２の電極間の電界の強さが小さくなり、瞬時に電離が停止することになる。即ち、電子放出時における第１の電極と第２の電極間の電圧の変化はほとんどない。そのため、正イオンの発生はほとんどなく、正イオンによる第１の電極の損傷を防止することができ、電子放出素子の長寿命化において有利となる。
【００２０】
そして、前記帯電膜は、圧電材料、電歪材料、反強誘電体材料又は低誘電率の材料で構成されていてもよい。低誘電率の材料としては、例えばＳｉＯ₂やＭｇＯ等の酸化物又はガラスなどを用いることができる。もちろん、前記帯電膜は、前記エミッタ部を構成する誘電体と同じ材料で構成してもよい。
【００２１】
前記第２の電極の表面に形成された前記帯電膜の膜厚は、１０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましい。薄すぎると耐久性や取り扱いに問題が生じるおそれがあり、また、厚すぎると、第１の電極と第２の電極間の間隔、即ち、スリットの幅を狭くできなくなり、電子放出に必要な電界を得ることができなくなるおそれがあるからである。
【００２２】
なお、前記第１の電極の表面に保護膜を形成するようにしてもよい。この場合、保護膜を前記帯電膜と同じ材料で構成するようにしてもよい。また、前記保護膜は、スパッタ率が小さく、真空中での蒸発温度が大きい絶縁体、もしくは高抵抗の導体であってもよい。前記第１の電極の表面に形成された前記保護膜の膜厚は、１０〜１００ｎｍであることが好ましい。薄すぎると耐久性や取り扱いに問題が生じるおそれがあり、また、厚すぎると、電界集中ポイントから放出した電子あるいは第１の電極とエミッタ部との界面から放出した電子が保護膜を透過できなくなるおそれがあるからである。
【００２３】
また、本発明においては、電子放出時における前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧変化が２０Ｖ以内であることが好ましい。
【００２４】
そして、本発明において、前記第１の電極及び前記第２の電極が共に、前記エミッタ部の上面に形成され、前記スリットが空隙であってもよい。
【００２５】
また、前記第１の電極を、前記エミッタ部の一方の側面に接して形成し、前記第２の電極を、前記エミッタ部の他方の側面に接して形成し、前記スリットに前記エミッタ部が存在するようにしてもよい。
【００２６】
スリットが空隙の場合は、第１の電極の損傷によってスリットの幅が拡大し、駆動信号の低電圧化が困難になるおそれがあるが、スリットにエミッタ部を存在させた場合は、第１の電極が損傷したとしてもスリットの幅は不変である。その結果、一定電圧で安定した電子放出を実現することができ、電極の長寿命化を実現させることができる。
【００２７】
更に、エミッタ部が２つの電極で挟まれた構造となることから、エミッタ部において分極を完全に行うことができ、分極反転による電子放出を安定して行うことができる。
【００２８】
特に、前記エミッタ部を蛇行して形成することで、第１の電極とエミッタ部との接触面積並びに第２の電極とエミッタ部との面積が増大することから、効率よく電子を放出させることができる。
【００２９】
なお、基板の上面に前記エミッタ部が形成され、前記第１の電極が前記エミッタ部の一方の側面に接して形成され、前記第２の電極が前記エミッタ部の他方の側面に接して形成され、前記スリットに前記エミッタ部が存在している場合に、前記基板の上方に第３の電極が配置され、該第３の電極の上面に蛍光体が塗布されていてもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電子放出素子のいくつかの実施の形態例を図１〜図１６を参照しながら説明する。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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であるとよい。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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⁺（Ａ_m-1Ｂ_mＯ_3m+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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
この第１の実施の形態においては、基板１２上にエミッタ部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。
【００５９】
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。
【００６０】
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、手法を選択して用いるとよい。
【００６１】
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。
【００６２】
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該当する。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。
【００６３】
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、Ｌａ_1-xＳｒ_xＣｏＯ₃（例えばｘ＝０．３や０．５）、Ｌａ_1-xＣａ_xＭｎＯ₃、Ｌａ_1-xＣａ_xＭｎ_1-yＣｏ_yＯ₃（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。
【００６４】
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以下であるとよく、好適には５μｍ以下であるとよい。
【００６５】
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。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。
【００６６】
また、カソード電極１６とアノード電極２０間のスリットの幅ｄは、第１の実施の形態では、７０μｍとした。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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に示す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。
【００７８】
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ことが可能な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。
【００７９】
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。
【００８０】
この実施の形態のように、電子放出素子１０Ａがカソード電極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。
【００８１】
ここで、電子放出に伴う電子の増倍作用とカソード電極１６への影響について説明する。まず、カソード電極１６に負極性の電圧Ｖａ２が供給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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
アノード電極２０に引かれた電子は、主にアノード電極２０の近傍に存在する気体又はアノード電極２０を構成する原子等を、正イオンと電子とに電離する。アノード電極２０の近傍に存在する該アノード電極２０を構成する原子は、該アノード電極２０の一部が蒸散した結果生じた原子であり、該原子はアノード電極２０の近傍に浮遊している。そして、前記電離によって発生した電子が更に前記気体や前記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。
【００８８】
また、アノード電極２０に引かれた電子は、エミッタ部１４に衝突してエミッタ部から２次電子が放出され、上述と同様に、アノード電極２０の近傍に存在する気体又はアノード電極２０の近傍において蒸散して浮遊する電極原子等を正イオンと電子に電離する。
【００８９】
図７Ａ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、カソード電極１６とアノード電極２０間の電圧Ｖａｋは、図７Ｂに示すように、ピーク時点Ｐ１において電子放出が行われ、その後、前記電離の進行によって放電維持電圧Ｖｂのレベルまで小さくなり、短絡に近い状態となっている。前記放電維持電圧Ｖｂは、誘電体（エミッタ部１４）の抗電圧（例えば−２０Ｖ）よりも大きい場合のほか、小さい場合も考えられる。なお、電子放出時におけるカソード電極１６とアノード電極２０間の電圧の変化ΔＶａｋはほぼ５０Ｖ程度である。
【００９０】
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。
【００９１】
そして、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が損傷する場合がある。
【００９２】
そこで、この第１の実施の形態では、図１及び図８に示すように、アノード電極２０の表面に帯電膜４０を形成するようにしている。
【００９３】
従って、エミッタ部１４から放出された２次電子の一部がアノード電極２０に引かれると、図８に示すように、帯電膜４０の表面が負極性に帯電することになる。これにより、アノード電極２０の正極性が弱められ、アノード電極２０とカソード電極１６間の電界の強さＥが小さくなり、瞬時に電離が停止することになる。即ち、図９Ａ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９Ｂ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１０Ａの長寿命化において有利となる。
【００９４】
そして、アノード電極２０の表面に形成された帯電膜４０の膜厚ｔ１は、１０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましい。薄すぎると耐久性や取り扱いに問題が生じるおそれがあり、また、厚すぎると、カソード電極１６とアノード電極２０間の間隔、即ち、スリットの幅ｄを狭くできなくなり、電子放出に必要な電界を得ることができなくなるおそれがあるからである。この第１の実施の形態では、帯電膜４０の厚みｔ１を４５μｍとした。
【００９５】
帯電膜４０は、圧電材料、電歪材料、反強誘電体材料又は低誘電率の材料で構成することができる。低誘電率の材料としては、例えばＳｉＯ₂やＭｇＯ等の酸化物又はガラスなどを用いることができる。もちろん、帯電膜４０は、エミッタ部１４を構成する誘電体と同じ材料で構成するようにしてもよい。
【００９６】
また、図１０の変形例に係る電子放出素子１０Ａａのように、カソード電極１６の表面に保護膜４２を形成するようにしてもよい。この保護膜４２は、帯電膜４０と同じ材質でもよいし、スパッタ率が小さく、真空中での蒸発温度が大きい絶縁体、もしくは高抵抗の導体を使用してもよい。
【００９７】
保護膜４２の膜厚は、１０〜１００ｎｍであることが好ましい。薄すぎると耐久性や取り扱いに問題が生じるおそれがあり、また、厚すぎると、電界集中ポイントＡあるいはカソード電極１６とエミッタ部１４の界面から放出した電子が保護膜４２を透過できなくなるおそれがあるからである。なお、保護膜４２は、帯電膜４０と同じ材料で構成することができる。これにより、帯電膜４０の形成と保護膜４２の形成を同一の工程で行うことができ、製造工程の簡略化を図ることができる。
【００９８】
更に、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。
【００９９】
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。
【０１００】
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１１を参照しながら説明する。
【０１０１】
この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂは、図１１に示すように、基板１２上に幅ｄが例えば０．１〜５０μｍのエミッタ部１４が形成され、該エミッタ部１４の一方の側面にカソード電極１６が形成され、エミッタ部１４の他方の側面にアノード電極２０が形成されている。つまり、カソード電極１６とアノード電極２０との間のスリット１８にエミッタ部１４が存在した構造となっており、エミッタ部１４をカソード電極１６とアノード電極２０とで挟んだ構造となっている。
【０１０２】
この場合も、第１の実施の形態と同様に、アノード電極２０の表面に帯電膜４０が形成される。もちろん、図１１に示すように、カソード電極１６に保護膜４２を形成するようにしてもよい。
【０１０３】
この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂにおいては、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａと同様に、カソード電極１６に対する損傷を防止することができると共に、誘電体にて構成されたエミッタ部１４がカソード電極１６とアノード電極２０で挟まれた構造であることから、エミッタ部１４での分極を完全に行うことができ、分極反転による電子放出を、安定して、かつ、効率よく行うことができる。
【０１０４】
次に、この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂの３つの変形例について図１２〜図１６を参照しながら説明する。
【０１０５】
まず、第１の変形例に係る電子放出素子１０Ｂａは、第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂの考え方を踏襲させた例であるが、図１２及び図１３に示すように、エミッタ部１４が平面から見て蛇行形状に形成されている。
【０１０６】
このように構成することで、カソード電極１６とエミッタ部１４との接触面積並びにアノード電極２０とエミッタ部１４との接触面積が増大することから、効率よく電子を放出させることができる。この場合も、アノード電極２０の表面に帯電膜４０が形成される。もちろん、図１２及び図１３に示すように、カソード電極１６に保護膜４２を形成するようにしてもよい。
【０１０７】
第２の変形例に係る電子放出素子１０Ｂｂは、図１４に示すように、基板１２上に誘電体によるエミッタ部１４が形成され、該エミッタ部１４に形成された窓内にカソード電極１６及びアノード電極２０が埋め込まれて形成されている。このように、カソード電極１６及びアノード電極２０の電極断面積を大きくすることで、カソード電極１６及びアノード電極２０の低抵抗化を図り、ジュール熱の発生を抑止することができる。即ち、カソード電極１６及びアノード電極２０を保護することができる。この場合も、アノード電極２０の表面に帯電膜４０が形成される。もちろん、図１４に示すように、カソード電極１６に保護膜４２を形成するようにしてもよい。
【０１０８】
上述の第２の変形例では、カソード電極１６及びアノード電極２０の厚みをエミッタ部１４の厚みとほぼ同じにした例を示したが、その他、図１５及び図１６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及びアノード電極２０の厚みをエミッタ部１４の厚みよりも薄くするようにしてもよい。この場合、図１１に示す第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂと同様に、カソード電極１６及びアノード電極２０が、エミッタ部１４のうち、少なくともスリット１８の部分に存在するエミッタ部１４の側壁に接触して形成される。この場合も、アノード電極２０の表面に帯電膜４０が形成される。もちろん、図１５に示すように、カソード電極１６に保護膜４２を形成するようにしてもよい。
【０１０９】
この第３の変形例では、第１の変形例と同様に、金属の量を少なくしてカソード電極１６やアノード電極２０を構成することができるため、カソード電極１６やアノード電極２０として、高価な金属（例えば白金や金）を用いることができ、特性の向上を図ることができる。
【０１１０】
上述した第１及び第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ及び１０Ｂ（各変形例を含む）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。
【０１１１】
（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。
【０１１２】
（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。
【０１１３】
（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。
【０１１４】
（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。
【０１１５】
（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。
【０１１６】
（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。
【０１１７】
（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。
【０１１８】
（８）圧電体材料の分極反転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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
（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。
【０１２１】
（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。
【０１２２】
（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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
（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。
【０１２５】
（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。
【０１２６】
なお、この発明に係る電子放出素子は、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。
【０１２７】
【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によれば、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において、電子放出に伴う第１の電極での損傷を抑制することができ、長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる。
【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】図７Ａは、駆動電圧の一例を示す波形図であり、図７Ｂは、アノード電極に帯電膜を形成しない構成における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８】第１の実施の形態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第２の電圧を印加した際の作用を示す説明図である。
【図９】図９Ａは、駆動電圧の一例を示す波形図であり、図９Ｂは、第１の実施の形態に係る電子放出素子における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１０】第１の実施の形態に係る電子放出素子の変形例を示す構成図である。
【図１１】第２の実施の形態に係る電子放出素子の主要部分を示す構成図である。
【図１２】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第１の変形例を示す平面図である。
【図１３】図１２におけるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線上の断面図である。
【図１４】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第２の変形例を示す断面図である。
【図１５】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第３の変形例を示す断面図である。
【図１６】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第３の変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ａａ、１０Ｂ、１０Ｂａ〜１０Ｂｃ…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
４０…帯電膜４２…保護膜

Claims

誘電体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の電極と、
前記エミッタ部に接して形成され、前記第１の電極と共にスリットを形成する第２の電極とを有し、
前記第１の電極と前記第２の電極間に駆動電圧が印加されることによって、少なくとも前記エミッタ部の前記スリットから露出する部分が分極反転されることで電子放出を行う電子放出素子において、
少なくとも前記第２の電極の表面に帯電膜が形成され、
前記第１の電極と前記第２の電極間に前記駆動電圧が印加されることによって、少なくとも前記エミッタ部の前記スリットから露出する部分が分極反転され、この分極反転によって、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次電子を放出させる駆動電圧印加手段を有することを特徴とする電子放出素子。
請求項１記載の電子放出素子において、
前記エミッタ部が、圧電材料、反強誘電体材料又は電歪材料で構成されていることを特徴とする電子放出素子。
請求項１又は２記載の電子放出素子において、
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で分極反転が行われることを特徴とする電子放出素子。
請求項３記載の電子放出素子において、
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。
請求項３又は４記載の電子放出素子において、
前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧Ｖａｋの絶対値が１００Ｖ未満となるように、前記スリットの幅ｄが設定されていることを特徴とする電子放出素子。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記帯電膜は、圧電材料、電歪材料、反強誘電体材料、ＳｉＯ ₂ 、ＭｇＯ又はガラスで構成されていることを特徴とする電子放出素子。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記帯電膜は、前記エミッタ部を構成する誘電体と同じ材料で構成されていることを特徴とする電子放出素子。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記帯電膜の膜厚は、１０ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする電子放出素子。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記第１の電極の表面に保護膜が形成されていることを特徴とする電子放出素子。
請求項９記載の電子放出素子において、
前記保護膜は、前記帯電膜と同じ材料で構成されていることを特徴とする電子放出素子。
請求項９又は１０記載の電子放出素子において、
前記保護膜の膜厚は、１０〜１００ｎｍであることを特徴とする電子放出素子。
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
電子放出時における前記第１の電極と前記第２の電極間の電圧変化が２０Ｖ以内であることを特徴とする電子放出素子。
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記第１の電極及び前記第２の電極は共に、前記エミッタ部の上面に形成され、
前記スリットが空隙であることを特徴とする電子放出素子。
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記第１の電極は、前記エミッタ部の一方の側面に接して形成され、
前記第２の電極は、前記エミッタ部の他方の側面に接して形成され、
前記スリットに前記エミッタ部が存在していることを特徴とする電子放出素子。
請求項１４記載の電子放出素子において、
前記エミッタ部が蛇行して形成されていることを特徴とする電子放出素子。
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記第１の電極と前記第２の電極間に前記駆動電圧が印加されることによって、少なくとも前記エミッタ部の前記スリットから露出する部分が分極反転され、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を特徴とする電子放出素子。
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記第１の電極、前記エミッタ部の前記スリットから露出する部分及び真空雰囲気の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。
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
前記エミッタ部の上方のうち、少なくとも前記スリットに対向した位置に第３の電極が配置され、該第３の電極に蛍光体が塗布されていることを特徴とする電子放出素子。