JP3869819B2

JP3869819B2 - 電子放出素子

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Publication number: JP3869819B2
Application number: JP2003154546A
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: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: EP1424714A1; JP2004228062A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の電極と第２の電極間に誘電体で構成されたエミッタ部が介在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、電子の過剰放出を抑制して、電子放出に伴う第１の電極での損傷等を防止することができ、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、前記エミッタ部のうち、第１の面に形成された第１の電極と、前記エミッタ部のうち、前記第１の面と対向する第２の面に形成された第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一部が分極反転されることで電子放出を行うことを特徴とする。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で構成することができる。
【００１０】
まず、本発明に係る電子放出素子の作用について説明する。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一部が分極反転され、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。
【００１１】
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。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。
【００１２】
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。
【００１３】
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、前記第１の電極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。
【００１４】
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。
【００１５】
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の電極が損傷することも考えられる。
【００１６】
しかし、この発明では、第１の電極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の双極子モーメントの＋極に引かれ、第１の電極の近傍におけるエミッタ部の第１の面において、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、前記エミッタ部の第１の面が負極性に帯電していくことになる。
【００１７】
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が小さくなり、電子放出が停止することになる。
【００１８】
このように、本発明においては、電子の過剰放出を抑制して、電子放出に伴う第１の電極での損傷等を防止することができ、電子放出素子の長寿命化及び信頼性の向上を図ることができる。
【００１９】
そして、本発明において、前記第２の電極を、基板上に形成し、前記エミッタ部を、前記基板上であって、かつ、前記第２の電極を覆うように形成し、前記第１の電極を、前記エミッタ部上に形成するようにしてもよい。
【００２０】
そして、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、前記厚さｄを設定するようにしてもよい。
【００２１】
また、本発明において、前記エミッタ部を、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い。これにより、エミッタ部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、エミッタ部の表面を保護する上で有効となる。
【００２２】
少なくとも前記第１の電極は、リング状に形成されていてもよいし、くし歯状に形成されていてもよい。これにより、電界集中ポイントでもある第１の電極／エミッタ部／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。
【００２３】
前記第１の電極の厚みを、１００ｎｍ以下としてもよい。特に、第１の電極の膜厚を極薄（１０ｎｍ以下）とした場合には、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り、電子放出効率を更に向上させることができる。
【００２４】
また、前記エミッタ部上に前記第１の電極を覆うように、保護膜を形成するようにしてもよい。これにより、エミッタ部の表面を保護することができ、しかも、電子放出によって電離が進行したとしても、第１の電極の正イオンによる損傷を保護膜によって抑制することができる。
【００２５】
前記保護膜の厚みは、１〜２０ｎｍであることが好ましい。薄すぎると、エミッタ部を保護することができないというおそれがあり、厚すぎると、保護膜の電気抵抗が小さくなり、その結果、局所的なカソードと局所的なアノード間の電圧が小さくなるため、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。また、厚すぎると、第１の電極から電子が放出できなくなるおそれもある。
【００２６】
そして、前記保護膜は、導体で構成してもよい。この場合、導体は、Ａｒ⁺６００Ｖにおけるスパッタ率が２．０以下で、真空中の蒸発温度として、蒸気圧１．３×１０^-3Ｐａとなる温度が１８００Ｋ以上であることが好ましい。これにより、保護膜が簡単に破られるということがなくなり、ジュール熱で保護膜の構成原子が蒸散するという不都合がなくなるからである。
【００２７】
また、前記保護膜は、絶縁膜や金属酸化膜、あるいはセラミックス、圧電材料、反強誘電体材料又は電歪材料等で構成するようにしてもよい。この場合、第１の電極から放出された電子がエミッタ部の局所的なアノードに引かれると、保護膜の表面が負極性に帯電することになる。これにより、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が小さくなり、電子の放出は進行せずに停止することになる。
【００２８】
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。
【００２９】
【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２２を参照しながら説明する。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、板状のエミッタ部１６と、該エミッタ部１６の表面に形成された第１の電極（カソード電極１８）と、エミッタ部１６の裏面に形成された第２の電極（アノード電極１４）とを有する。
【００３７】
カソード電極１８とアノード電極１４間には、パルス発生源２０からの駆動電圧Ｖａが抵抗Ｒ１を介して印加される。図１の例では、アノード電極１４を抵抗Ｒ２を介してＧＮＤ（グランド）に接続することにより、該アノード電極１４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よい。なお、カソード電極１８とアノード電極１４間への駆動電圧Ｖａの印加は、例えば図２に示すように、カソード電極１８に延びるリード電極１９とアノード電極１４に延びるリード電極１５を通じて行われる。
【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、カソード電極１８の上方にコレクタ電極２２が配置され、該コレクタ電極２２には蛍光体２４が塗布される。なお、コレクタ電極２２にはバイアス電圧源１０２（バイアス電圧Ｖ３）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が存在するが、ポイントＡは、カソード電極１８／エミッタ部１６／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１６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１６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１６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１６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１６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、多孔質の場合には気孔率３０％以下であることが望ましい。
【００５４】
更に、エミッタ部１６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。
【００５６】
また、エミッタ部１６に非鉛系の材料を使用する等により、エミッタ部１６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】
ここで、カソード電極１８とアノード電極１４間のエミッタ部１６の厚さｄ（図１参照）の大きさについて説明すると、両電極１８及び１４間の印加電圧をＶとしたとき、Ｅ＝Ｖ／ｄ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ｄを設定することが好ましい。つまり、前記厚さ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。
【００５８】
カソード電極１８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せるセラミック材料の割合は、５〜３０体積％程度が好適である。
【００５９】
更に、焼成後に薄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。
【００６０】
カソード電極１８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方法による通常の膜形成方法に従って形成することができ、好適には、前者の厚膜形成方法によって形成するとよい。
【００６１】
カソード電極１８の平面形状は、図２に示すように、楕円形状としてもよいし、図３に示す第１の変形例に係る電子放出素子１０Ａａのように、リング状にしてもよい。あるいは、図４に示す第２の変形例に係る電子放出素子１０Ａｂのように、くし歯状にしてもよい。
【００６２】
カソード電極１８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１８／エミッタ部１６／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。
【００６３】
カソード電極１８の厚みｔｃ（図１参照）は、２０μｍ以下がよく、好適には５μｍ以下であるとよい。従って、カソード電極１８の厚みｔｃを１００ｎｍ以下にしてもよい。特に、図５に示す第３の変形例に係る電子放出素子１０Ａｃのように、カソード電極１８の厚みｔｃを極薄（１０ｎｍ以下）とした場合には、該カソード電極１８とエミッタ部１６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。
【００６４】
一方、アノード電極１４は、カソード電極１８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方法によって形成する。アノード電極１４の厚さも、２０μｍ以下がよく、好適には５μｍ以下であるとよい。
【００６５】
エミッタ部１６、カソード電極１８及びアノード電極１４をそれぞれ形成するたびに熱処理（焼成処理）することで、一体構造にすることができる。なお、カソード電極１８及びアノード電極１４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。
【００６６】
エミッタ部１６と、カソード電極１８と、アノード電極１４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１６を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１６の組成が不安定にならないように、エミッタ部１６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。
【００６７】
また、エミッタ部１６を適切な部材によって被覆し、エミッタ部１６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。
【００６８】
次に、電子放出素子１０Ａの電子放出原理について図１、図６〜図１１Ｂを参照しながら説明する。まず、パルス発生源２０から出力される駆動電圧Ｖａは、図６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１８の電位がアノード電極１４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１８の電位がアノード電極１４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。
【００６９】
準備期間Ｔ１は、図７に示すように、カソード電極１８とアノード電極１４間に第１の電圧Ｖａ１を印加してエミッタ部１６を分極する期間である。第１の電圧Ｖａ１としては、図６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１８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。
【００７０】
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１６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。
【００７１】
電子放出期間Ｔ２は、カソード電極１８とアノード電極１４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１８とアノード電極１４間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、図８に示すように、少なくともエミッタ部１６の一部が分極反転される。ここで、分極反転される部位は、カソード電極１８の真下部分はもちろんのこと、真上にカソード電極１８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１８の近傍では、同様に分極反転が行われる。つまり、カソード電極１８の近傍で、エミッタ部１６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。この分極反転によって、カソード電極１８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１８から１次電子が引き出され、カソード電極１８から引き出された前記１次電子がエミッタ部１６に衝突して、該エミッタ部１６から２次電子が放出される。
【００７２】
この第１の実施の形態のように、カソード電極１８、エミッタ部１６及び真空の３重点Ａを有する場合には、カソード電極１８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１６に衝突して、該エミッタ部１６から２次電子が放出される。なお、カソード電極１８の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該カソード電極１８とエミッタ部１６との界面から電子が放出されることになる。
【００７３】
ここで、負極性の電圧Ｖａ２が印加されることによる作用を更に詳細に説明する。
【００７４】
まず、カソード電極１８とアノード電極１４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１６から２次電子が放出されることになる。即ち、分極が反転されたエミッタ部１６のうち、カソード電極１８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。
【００７５】
つまり、カソード電極１８のうち、エミッタ部１６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１６のうち、カソード電極１８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１８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２２（図１参照）に導かれて蛍光体２４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１６に衝突して、エミッタ部１６から２次電子が放出され、該２次電子がコレクタ電極２２に導かれて蛍光体２４を励起することになる。
【００７６】
ここで、２次電子の放出分布について図１０を参照しながら説明する。図１０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１６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１に示すように、エミッタ部１６とコレクタ電極２２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１６の外へ飛び出した固体内電子である。
【００７７】
ところで、図１０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１８から放出された１次電子がエミッタ部１６の表面近くで散乱したもの（反射電子）である。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。
【００７８】
カソード電極１８の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合、カソード電極１８から放出された１次電子は、カソード電極１８とエミッタ部１６の界面で反射してコレクタ電極２２に向かうことになる。
【００７９】
ここで、図８に示すように、電界集中ポイントＡでの電界の強さＥ_A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ｄ_Aとしたとき、Ｅ_A＝Ｖ（ｌａ，ｌｋ）／ｄ_A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ｄ_Aは非常に小さいことから、電子放出に必要な電界の強さＥ_Aを容易に得ることができる（電界の強さＥ_Aが大きくなっていることを図８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。
【００８０】
そして、カソード電極１８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１６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１６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１８に衝突することによってカソード電極１８が損傷することも考えられる。
【００８１】
しかし、この第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａでは、図９に示すように、カソード電極１８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１６の双極子モーメントの＋極に引かれ、カソード電極１８の近傍におけるエミッタ部１６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１６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。
【００８２】
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Ｅ_Aが小さくなり（電界の強さＥ_Aが小さくなっていることを図９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。
【００８３】
即ち、図１１Ａに示すように、カソード電極１８とアノード電極１４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１８とアノード電極１４間の電圧変化ΔＶａｋは、２０Ｖ以内（図１０Ｂ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１８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。
【００８４】
ここで、エミッタ部１６の絶縁破壊電圧として、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍを有していることが好ましい。この例では、エミッタ部１６の厚さｄを例えば２０μｍとしたとき、カソード電極１８とアノード電極１４間に−１００Ｖの駆動電圧を印加しても、エミッタ部１６が絶縁破壊に至ることはない。
【００８５】
ところで、エミッタ部１６から放出された電子が再びエミッタ部１６に衝突したり、エミッタ部１６の表面近傍での電離等によって、該エミッタ部１６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。
【００８６】
そこで、エミッタ部１６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１６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１６の表面を保護する上で有効となる。
【００８７】
また、図１２に示す第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂのように、エミッタ部１６上にカソード電極１８を覆うように、保護膜３０を形成してもよい。これにより、カソード電極１８から放出された電子がエミッタ部１６に向かっても、該エミッタ部１６の表面に保護膜３０が形成されていることから、前記放出電子によるエミッタ部１６の損傷を防止することができる。また、前記電子放出によって電離が進行したとしても、カソード電極１８の正イオンによる損傷を保護膜３０にて抑制することができる。
【００８８】
そして、図１３に示す第１の変形例に係る電子放出素子１０Ｂａのように、保護膜３０を導体で構成するようにしてもよい。この場合、保護膜３０が放出電子によってけずられるかたちになるため、導体としては、スパッタ率（入射粒子１個当たりに放出されるターゲット原子あるいは分子の数）が小で、Ａｒ⁺６００Ｖにおけるスパッタ率が２．０以下であることが好ましい。また、保護膜３０がジュール熱によって蒸散されると、放出電子による電離が促進されてしまうため、導体としては、真空中での蒸発温度が大で、蒸気圧１．３×１０^-3Ｐａとなる温度が１８００Ｋ以上のものが好ましい。
【００８９】
つまり、保護膜３０を導体で構成する場合は、スパッタ率が２．０以下で、真空中での蒸発温度が１８００Ｋ以上である導体を使用することが好ましい。通常、導体として使用されるＡｕ等は、スパッタ率が２．８（Ａｕ）と高く、ここでの保護膜３０としては使用できない。そこで、スパッタ率が高いＭｏ（モリブデン）やＣ（カーボン）等が好適である。ちなみに、Ｍｏ及びＣのスパッタ率は、０．９（Ｍｏ）、０．２未満（Ｃ）である。
【００９０】
このように、導体を選定することで保護膜３０が簡単に破られるということがなく、ジュール熱で保護膜３０の構成原子が蒸散するという不都合がなくなり、更に電子放出素子１０Ｂａの長寿命化を図ることができる。
【００９１】
保護膜３０の厚みは、１ｎｍ〜２０ｎｍであることが好ましい。薄すぎると、エミッタ部１６を保護することができないというおそれがあり、厚すぎると、保護膜３０の電気抵抗が小さくなり、その結果、局所的なカソードと局所的なアノード間の電圧が小さくなるため、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。また、厚すぎると、カソード電極１８から電子が放出できなくなるおそれもある。
【００９２】
また、図１４に示す第２の変形例に係る電子放出素子１０Ｂｂのように、保護膜３０をＳｉＯ₂等の絶縁膜やＭｇＯ等の金属酸化膜、あるいはセラミックス、圧電材料、反強誘電体材料又は電歪材料等で構成するようにしてもよい。
【００９３】
この場合、カソード電極１８から放出された電子がエミッタ部１６の局所的なアノードに引かれると、保護膜３０の表面が負極性に帯電することになる。これにより、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が小さくなり（電界の強さＥ_Aが小さくなっていることを図１３上では破線矢印によって示す）、電子の放出は進行せずに停止することになる。
【００９４】
つまり、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａでは、エミッタ部１６の表面での負極性帯電に伴って電子放出の自己停止が行われたが、この第２の変形例に係る電子放出素子１０Ｂｂでは、保護膜３０の表面での負極性帯電に伴って電子放出の自己停止が行われることになる。
【００９５】
また、保護膜３０を絶縁膜や酸化膜等で構成することで、カソード電極１８からの放出電子によって保護膜３０がけずられるという現象はほとんど生じないため、保護機能としても好適である。
【００９６】
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１５を参照しながら説明する。
【００９７】
この第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃは、図１５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１４が基板１２上に形成され、エミッタ部１６が基板１２上であって、かつ、アノード電極１４を覆うように形成され、更にカソード電極１８がエミッタ部１６上に形成されている点で異なる。
【００９８】
この場合も、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａと同様に、正イオンによるカソード電極１８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。
【００９９】
なお、基板１２上にエミッタ部１６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。
【０１００】
この第３の実施の形態においては、前記エミッタ部１６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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
また、基板１２は、配線等を考慮して、電気的な絶縁材料で構成するのが好ましい。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ス材料によって被覆したホーローのような材料によって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。
【０１０４】
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１８及びアノード電極１４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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
エミッタ部１６、カソード電極１８及びアノード電極１４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１６、カソード電極１８及びアノード電極１４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１８及びアノード電極１４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。
【０１０９】
基板１２と、エミッタ部１６、カソード電極１８及びアノード電極１４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１６を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１６の組成が不安定にならないように、エミッタ部１６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。
【０１１０】
また、エミッタ部１６を適切な部材によって被覆し、エミッタ部１６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。
【０１１１】
また、図１６の変形例に係る電子放出素子１０Ｃａに示すように、エミッタ部１６上に、カソード電極１８を覆うように保護膜３０を形成するようにしてもよい。
【０１１２】
上述の例では、１つのエミッタ部１６にそれぞれ１つのカソード電極１８と１つのアノード電極１４を形成して１つの電子放出素子１０を構成した例を示したが、その他、例えば図１７に示すように、１つのエミッタ部１６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。
【０１１３】
即ち、図１７に示す第１の構成例１００Ａでは、１つのエミッタ部１６の表面にそれぞれ独立に複数のカソード電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃを形成し、エミッタ部の裏面に複数のアノード電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ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１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、それぞれ対応するカソード電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃ下にエミッタ部１６を間に挟んで形成される。
【０１１４】
図１８に示す第２の構成例１００Ｂでは、１つのエミッタ部１６の表面にそれぞれ独立に複数のカソード電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃを形成し、エミッタ部１６の裏面に１つのアノード電極１４（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。
【０１１５】
図１９に示す第３の構成例１００Ｃでは、１つのエミッタ部１６の表面に１つの極薄（〜１０ｎｍ）のカソード電極１８（共通のカソード電極）を形成し、エミッタ部１６の裏面にそれぞれ独立に複数のアノード電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ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。
【０１１６】
図２０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１４ａ、１４ｂ、１４ｃをそれぞれ独立に形成し、これらアノード電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃを覆うように１つのエミッタ部１６を形成し、更に、エミッタ部１６上に複数のカソード電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃ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１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、それぞれ対応するアノード電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ上にエミッタ部１６を間に挟んで形成される。
【０１１７】
図２１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１４を形成し、該アノード電極１４を覆うように１つのエミッタ部１６を形成し、更に、エミッタ部１６上に複数のカソード電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃ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。
【０１１８】
図２２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１４ａ、１４ｂ、１４ｃをそれぞれ独立に形成し、これら複数のアノード電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃを覆うように１つのエミッタ部１６を形成し、更に、エミッタ部１６上に１つの極薄のカソード電極１８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。
【０１１９】
これら第１〜第６の構成例１００Ａ〜１００Ｆでは、１つのエミッタ部１６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。
【０１２０】
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（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２２に蛍光体２４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。
【０１２１】
（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。
【０１２２】
（２）蛍光体２４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。
【０１２３】
（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。
【０１２４】
（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。
【０１２５】
（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。
【０１２６】
（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。
【０１２７】
（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。
【０１２８】
（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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
（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。
【０１３１】
（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。
【０１３２】
（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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
（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。
【０１３５】
（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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
【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、電子の過剰放出を抑制して、電子放出に伴う第１の電極での損傷等を防止することができ、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】第１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４】第１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５】第１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６】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７】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８】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９】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１０】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１１】図１１Ａは、駆動電圧の一例を示す波形図であり、図１１Ｂは、第１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１２】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１３】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第１の変形例での作用を示す説明図である。
【図１４】第２の実施の形態に係る電子放出素子の第２の変形例での作用を示す説明図である。
【図１５】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１６】第３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１７】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１８】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１９】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２０】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２１】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２２】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、１０Ｂｂ、１０Ｃ、１０Ｃａ…電子放出素子
１２…基板１４…アノード電極
１６…エミッタ部１８…カソード電極
２０…パルス発生源２２…コレクタ電極
２４…蛍光体３０…保護膜

Claims

誘電体にて構成されたエミッタ部と、
前記エミッタ部のうち、第１の面に形成された第１の電極と、
前記エミッタ部のうち、前記第１の面と対向する第２の面に形成された第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一部が分極反転されることで電子放出を行う電子放出素子であって、
前記第２の電極は、基板上に形成され、
前記エミッタ部は、前記基板上であって、かつ、前記第２の電極を覆うように形成され、
前記第１の電極は、前記エミッタ部上に形成され、
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一部が分極反転され、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。
請求項１〜３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１〜４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の電極に挟まれた前記エミッタ部の厚さを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５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５又は６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、前記厚さ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１〜７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の電極の上方に第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。
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、
少なくとも前記第１の電極は、リング状に形成されていることを特徴とする電子放出素子。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
少なくとも前記第１の電極は、くし歯状に形成されていることを特徴とする電子放出素子。
請求項１〜１０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の電極の厚みは、１００ｎｍ以下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、
前記エミッタ部上に前記第１の電極を覆うよう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１２記載の電子放出素子において、
前記保護膜の膜厚は、１〜２０ｎｍであることを特徴とする電子放出素子。
請求項１２又は１３記載の電子放出素子において、
前記保護膜は、導体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１４記載の電子放出素子において、
前記導体は、Ａｒ⁺６００Ｖにおけるスパッタ率が２．０以下、蒸気圧１．３×１０^-3Ｐａとなる温度が１８００Ｋ以上であることを特徴とする電子放出素子。
請求項１２又は１３記載の電子放出素子において、
前記保護膜は、絶縁膜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１２又は１３記載の電子放出素子において、
前記保護膜は、金属酸化膜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１２又は１３記載の電子放出素子において、
前記保護膜は、セラミックス、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１〜１８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。