JP4884115B2 - Electron emitter - Google Patents
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Description
本発明は、誘電体からなるエミッタ部と、前記エミッタ部の下部に形成された下部電極と、前記エミッタ部の上部に形成された上部電極と、を備えた電子放出素子に関する。 The present invention relates to an electron-emitting device including an emitter portion made of a dielectric, a lower electrode formed at a lower portion of the emitter portion, and an upper electrode formed at an upper portion of the emitter portion.
従来から、誘電体からなるエミッタ部と、エミッタ部の下面に形成された下部電極(下部電極層)と、エミッタ部の上面に形成され多数の微細貫通孔を有する上部電極(上部電極層)と、を備え、誘電体の双極子を反転動作(分極反転)させることにより上部電極の微細貫通孔から電子を放出する電子放出素子が知られている。 Conventionally, an emitter portion made of a dielectric, a lower electrode (lower electrode layer) formed on the lower surface of the emitter portion, and an upper electrode (upper electrode layer) formed on the upper surface of the emitter portion and having many fine through holes There is known an electron-emitting device that emits electrons from a fine through hole of an upper electrode by reversing a dielectric dipole (polarization reversal).
この素子においては、先ず、上部電極の電位を下部電極の電位より低くする電圧が上部電極と下部電極の間(上下電極間)に印加される。換言すると、下部電極の電位を基準としたとき、上部電極に負極性の電位が印加される。これにより、エミッタ部の双極子は、その正極側が上部電極側に向くように反転する。即ち、負側分極反転が発生する。この結果、上部電極からエミッタ部の上部に電子が供給され、エミッタ部の上部に蓄積される。次いで、上部電極の電位を下部電極の電位と同電位とするような電圧が上下電極間に印加される。その後、上部電極の電位を下部電極の電位より高くする電圧が上下電極間に印加される。換言すると、下部電極の電位を基準としたとき、上部電極に正極性の電位が印加される。 In this element, first, a voltage that makes the potential of the upper electrode lower than the potential of the lower electrode is applied between the upper electrode and the lower electrode (between the upper and lower electrodes). In other words, when the potential of the lower electrode is used as a reference, a negative potential is applied to the upper electrode. As a result, the dipole of the emitter section is inverted so that the positive electrode side faces the upper electrode side. That is, negative polarization reversal occurs. As a result, electrons are supplied from the upper electrode to the upper part of the emitter part, and accumulated in the upper part of the emitter part. Next, a voltage is applied between the upper and lower electrodes so that the potential of the upper electrode is the same as the potential of the lower electrode. Thereafter, a voltage that makes the potential of the upper electrode higher than the potential of the lower electrode is applied between the upper and lower electrodes. In other words, when the potential of the lower electrode is used as a reference, a positive potential is applied to the upper electrode.
これにより、エミッタ部の双極子は、その負極側が上部電極側に向くように反転する。即ち、正側分極反転が発生する。この結果、エミッタ部の上部に蓄積されていた電子は、双極子からクーロン斥力を受け、上部電極の微細貫通孔を通して放出される。このような電子放出動作を行うエミッタ部の誘電体には、比誘電率が例えば1000以上の誘電体が用いられていた(特許文献1を参照。)。
このような電子放出素子はディスプレイ、液晶用バックライト、電子照射線装置及び電子部品製造装置等の放出電子を必要とする種々の装置に適用され得る。従って、当然、放出される電子の量(放出電子量)は大きいことが好ましい。しかしながら、従来、より多くの電子を放出するために、エミッタ部にどのような特性を有する誘電体を用いることが好ましいかについての十分な検討がなされていなかった。 Such an electron-emitting device can be applied to various devices that require emitted electrons, such as a display, a liquid crystal backlight, an electron irradiation device, and an electronic component manufacturing device. Therefore, naturally, it is preferable that the amount of emitted electrons (the amount of emitted electrons) is large. However, conventionally, in order to emit more electrons, sufficient studies have not been made as to what kind of characteristics it is preferable to use for the emitter portion.
そこで、本発明者は、種々の特性を有する誘電体をエミッタ部に用いて、放出電子量を測定する実験を行った。そして、発明者は、その実験結果を解析する際、電子放出素子の総分極量Pに対する残留分極量Prの比Pr/Pに着目した。 Therefore, the present inventor conducted an experiment to measure the amount of emitted electrons by using a dielectric having various characteristics for the emitter portion. The inventors paid attention to the ratio Pr / P of the remanent polarization amount Pr to the total polarization amount P of the electron-emitting device when analyzing the experimental results.
更に、発明者は、「上部電極の電位が下部電極の電位よりも低い電位に設定されたときの分極量と、上部電極の電位が下部電極の電位と同電位に設定されたときの残留分極量と、の差の絶対値」を負極性分極減少量ΔPとしたとき、総分極量Pに対する負極性分極減少量ΔPの比ΔP/Pにも着目した。 Furthermore, the inventor stated that “the amount of polarization when the potential of the upper electrode is set lower than the potential of the lower electrode, and the residual polarization when the potential of the upper electrode is set to the same potential as the potential of the lower electrode. Attention was also paid to the ratio ΔP / P of the negative polarization decrease amount ΔP to the total polarization amount P, where “the absolute value of the difference between the two” is defined as the negative polarization decrease amount ΔP.
このような電子放出素子から電子を放出させる場合、誘電体からなるエミッタ部(上下電極間)に印加する電圧(印加電圧)と電子放出素子の上下電極間に現れる電荷量との関係(電圧−分極特性)は、例えば、図1に示したように、ヒステリシスを有する関係となる。 When electrons are emitted from such an electron-emitting device, the relationship between the voltage (applied voltage) applied to the emitter made of dielectric (between the upper and lower electrodes) and the amount of charge appearing between the upper and lower electrodes of the electron-emitting device (voltage− For example, as shown in FIG. 1, the polarization characteristic has a relationship having hysteresis.
ここで、印加電圧は、下部電極の電位を基準とした場合の上部電極の電位(上部電極の電位−下部電極の電位)である。即ち、印加電圧は素子電圧Vkaと等しい。
総分極量Pは、印加電圧を上昇しても電荷量が増大しなくなる状態における電荷量(正の最大電荷量、図1の点A)と、印加電圧を減少しても電荷量が減少しなくなる(負の電荷量が増大しなくなる)状態における電荷量(負の最大電荷量、図1の点B)との差である。即ち、総分極量Pは、図1における線分A−Bの長さに相当する電荷量である。
Here, the applied voltage is the potential of the upper electrode (the potential of the upper electrode minus the potential of the lower electrode) when the potential of the lower electrode is used as a reference. That is, the applied voltage is equal to the element voltage Vka.
The total polarization amount P is a charge amount in a state in which the charge amount does not increase even when the applied voltage is increased (positive maximum charge amount, point A in FIG. 1), and the charge amount is decreased even if the applied voltage is decreased. This is the difference from the charge amount (negative maximum charge amount, point B in FIG. 1) in a state where there is no charge (the negative charge amount does not increase). That is, the total polarization amount P is a charge amount corresponding to the length of the line segment AB in FIG.
残留分極量Prは、印加電圧を上昇しても電荷量が増大しなくなる状態における印加電圧(正側最大印加電圧)Vpから同印加電圧を減少させることにより同印加電圧がゼロとなったときの電荷量(正極性残留電荷量、図1の点C)と、印加電圧を減少しても電荷量が減少しなくなる状態における印加電圧(負側最大印加電圧)Vmから同印加電圧を増大させることにより同印加電圧がゼロとなったときの電荷量(負極性残留電荷量、図1の点D)との差である。即ち、残留分極量Prは、図1における線分C−Dの長さに相当する電荷量である。 The remanent polarization amount Pr is obtained when the applied voltage becomes zero by decreasing the applied voltage from the applied voltage (positive maximum applied voltage) Vp in a state where the amount of charge does not increase even when the applied voltage is increased. Increase the applied voltage from the charge amount (positive residual charge amount, point C in FIG. 1) and the applied voltage (negative maximum applied voltage) Vm in a state where the charge amount does not decrease even if the applied voltage is decreased. Is the difference from the charge amount when the applied voltage becomes zero (negative residual charge amount, point D in FIG. 1). That is, the remanent polarization amount Pr is a charge amount corresponding to the length of the line segment CD in FIG.
負極性分極減少量ΔPは、上記負の最大電荷量(図1の点B)と上記負極性残留電荷量(図1の点D)との差(差の絶対値)であり、図1における線分D−Bの長さに相当する電荷量である。 The negative polarization decrease amount ΔP is a difference (absolute value) between the negative maximum charge amount (point B in FIG. 1) and the negative residual charge amount (point D in FIG. 1) in FIG. This is the charge amount corresponding to the length of the line segment DB.
前述したように、発明者は、総分極量Pに対する残留分極量Prの比Pr/Pに着目し、その比Pr/Pと放出電子量との関係を調べた。その結果、発明者は、比Pr/Pが0.7以上であるとき放出電子量が著しく増大することを発見した。 As described above, the inventor paid attention to the ratio Pr / P of the remanent polarization amount Pr with respect to the total polarization amount P, and investigated the relationship between the ratio Pr / P and the amount of emitted electrons. As a result, the inventors have found that the amount of emitted electrons is remarkably increased when the ratio Pr / P is 0.7 or more.
この理由は、次のように推測される。
(推定理由1)総分極量Pに対する残留分極量Prの比Pr/Pが大きいということは、負極性の残留分極量(図1の線分O−Bの長さに対応する電荷量、但し、点Oは原点)も大きいということである。負極性の残留分極量が大きいと、印加電圧が負の電圧に設定されたことによってエミッタ部の上部に蓄積された電子を、印加電圧が0又は0近傍の正の電圧になったときにエミッタ部の上部に確実に保持しておくことができる。従って、正側分極反転が発生する時点までエミッタ部から放出され得る電子の数が大きく低下することがない。その結果、放出電子量が大きい値となる。これに対し、負極性の残留分極量が小さいと、印加電圧が0又は0近傍の正の電圧になったとき、エミッタ部の上部に蓄積されていた電子はエミッタ部から上部電極へとリークしてしまう。従って、正側分極反転が発生する時点においてエミッタ部から放出され得る電子の量が少なくなる。その結果、放出電子量が減少する。
The reason is estimated as follows.
(Estimation Reason 1) The ratio Pr / P of the residual polarization quantity Pr to the total polarization quantity P is large, which means that the negative polarity residual polarization quantity (the charge quantity corresponding to the length of the line segment OB in FIG. , Point O is also the origin) is large. If the amount of negative remanent polarization is large, electrons accumulated in the upper part of the emitter due to the applied voltage being set to a negative voltage will be emitted when the applied voltage becomes 0 or a positive voltage near 0. It can be securely held at the top of the part. Therefore, the number of electrons that can be emitted from the emitter portion does not drop significantly until the positive side polarization reversal occurs. As a result, the amount of emitted electrons becomes a large value. On the other hand, when the amount of negative remanent polarization is small, when the applied voltage becomes 0 or a positive voltage close to 0, the electrons accumulated in the upper part of the emitter part leak from the emitter part to the upper electrode. End up. Therefore, the amount of electrons that can be emitted from the emitter section at the time when positive side polarization reversal occurs is reduced. As a result, the amount of emitted electrons is reduced.
(推定理由2)実験によれば、総分極量Pに対する残留分極量Prの比Pr/Pが大きいとき、印加電圧が正側分極反転を発生させる電圧(正の抗電界電圧)近傍で増大する際のエミッタ上部における電荷量の増大率(以下、単に、「正側分極反転時電荷量変化率」と称呼する。)が大きい。即ち、比Pr/Pが大きいときには、図1のグラフにおいて破線LCで囲まれた領域におけるヒステリシス曲線の傾きが大きくなるという事実が認められた。これは、比Pr/Pが大きい場合、エミッタ部の双極子の正側分極反転が短時間内に一斉に発生しているからであると考えられる。正側分極反転が短時間内に一斉に発生すると、エミッタ部の上部に蓄積されていた電子は双極子から大きなクーロン斥力を短時間内に受ける。 (Estimation reason 2) According to the experiment, when the ratio Pr / P of the remanent polarization amount Pr to the total polarization amount P is large, the applied voltage increases in the vicinity of the voltage (positive coercive electric field voltage) that causes the positive polarization inversion. The rate of increase in the amount of charge at the top of the emitter at this time (hereinafter simply referred to as “the rate of change in charge amount at the time of positive side polarization reversal”) is large. That is, when the ratio Pr / P is large, the fact that the slope of the hysteresis curve in the region surrounded by the broken line LC in the graph of FIG. This is considered to be because when the ratio Pr / P is large, the positive side polarization inversion of the dipoles of the emitter portion occurs all at once in a short time. When positive side polarization reversal occurs simultaneously within a short time, the electrons accumulated in the upper part of the emitter section receive a large Coulomb repulsive force from the dipole within a short time.
更に、図2に示したように、エミッタ部13の上部の点Qに着目すると、下部電極12と点Qとの間の誘電体であるエミッタ部13にはコンデンサCf(容量値=Cfer)が形成され、点Qにおけるエミッタ部13の上面と上部電極14の下面との間の空間にはコンデンサCg(容量値=Cgap)が形成される。従って、点Qの位置において、上下電極間は、これらのコンデンサCf及びCgが直列に接続された線路により接続されていると等価的にみなすことができる。
Further, as shown in FIG. 2, when attention is paid to the point Q at the top of the
この場合、コンデンサCgの電極間電圧及びコンデンサCfの電極間電圧をそれぞれVgap及びVferと表すと、上下電極間に印加された電圧Vinは、電圧Vgapと電圧Vferとに分圧される。そして、正側分極反転時に上記の正側分極反転時電荷量変化率が大きいということは、そのときのコンデンサCfの容量(Cfer)が大きいということを意味するから、コンデンサCgが受け持つ電圧Vgapが大きくなっていることを意味する。従って、電子は、大きな電圧Vgapによって強く加速され、且つ、微細貫通孔14aを通して上部電極14のなす平面に対して垂直方向(上方)に勢いよく放出される。
In this case, when the voltage between the electrodes of the capacitor Cg and the voltage between the electrodes of the capacitor Cf are expressed as Vgap and Vfer, respectively, the voltage Vin applied between the upper and lower electrodes is divided into the voltage Vgap and the voltage Vfer. And, when the positive side polarization inversion charge amount change rate is large at the time of positive side polarization inversion, it means that the capacitance (Cfer) of the capacitor Cf at that time is large. It means that it is getting bigger. Therefore, electrons are strongly accelerated by the large voltage Vgap and are vigorously emitted in the vertical direction (upward) with respect to the plane formed by the
これらのことから、上部電極へリークしてしまう電子の数は減少し、電子の多くが上部電極の上方へと放出される。その結果、放出電子量が大きい値となる。 For these reasons, the number of electrons leaking to the upper electrode is reduced, and most of the electrons are emitted above the upper electrode. As a result, the amount of emitted electrons becomes a large value.
このように、エミッタ部に、その総分極量Pに対する残留分極量Prの比Pr/Pが0.7以上の誘電体を用いることにより、或いは、総分極量Pに対する負極性分極減少量ΔPの比ΔP/Pが0.1以下の誘電体を用いることにより、放出電子量が非常に大きい電子放出素子が提供され得る。 As described above, by using a dielectric having a ratio Pr / P of the residual polarization amount Pr to the total polarization amount P of 0.7 or more in the emitter portion, or the negative polarization decrease amount ΔP with respect to the total polarization amount P. By using a dielectric having a ratio ΔP / P of 0.1 or less, an electron-emitting device having a very large amount of emitted electrons can be provided.
以下、本発明による電子放出装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。この電子放出装置は、ディスプレイ、液晶用バックライト、電子照射線装置及び電子部品製造装置等であって、電子放出源を必要とする各種装置に好適に利用され得る。 Embodiments of an electron emission device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. This electron emission device can be suitably used for various devices that require an electron emission source, such as a display, a backlight for liquid crystal, an electron irradiation device, and an electronic component manufacturing device.
(構成)
図3は、本発明の実施形態に係る電子放出素子が適用された液晶用バックライト全体の構成図である。このバックライトは、電子放出装置10、駆動電圧印加部20及びバイアス電源部30を備えている。
(Constitution)
FIG. 3 is a configuration diagram of the entire liquid crystal backlight to which the electron-emitting device according to the embodiment of the present invention is applied. The backlight includes an
電子放出装置10は、電子放出素子10Aを備えている。
電子放出素子10Aは、基板11、下部電極(下部電極層)12、エミッタ部13及び上部電極(上部電極層)14、を備えている。
The
The electron-emitting
基板11は、図3及び図4に示したように、互いに直交するX軸及びY軸により形成される平面(X−Y平面)に平行な上面及び下面を有し、X軸及びY軸のそれぞれに直交するZ軸方向に厚み方向を有する薄板体である。基板11は、酸化ジルコニウムを主成分とした材料(例えば、ガラス又はセラミックス)からなっている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
下部電極12は、導電性物質(ここでは、銀又は白金)からなり、基板11の上面の上に層状に形成されている。即ち、下部電極12は、X−Y平面に平行な上面及び下面を有し、厚み方向がZ軸方向である薄膜の電極である。
The
エミッタ部13は、強誘電体(例えば、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、チタン酸鉛(PT)及びジルコン酸鉛(PZ)の3成分系材料PMN−PT−PZ)からなっている。エミッタ部13を構成する強誘電体については後に詳述する。エミッタ部13は、X−Y平面に平行な上面及び下面を有し、厚み方向がZ軸方向である薄板体である。エミッタ部13は、下部電極12の上面の上に形成されている。エミッタ部13の上面には、図4に拡大して示したように、誘電体の粒界13aによる凹凸が形成されている。
The
上部電極14は、導電性物質(ここでは、白金)からなり、エミッタ部13の上面の上に層状に形成されている。即ち、上部電極14は、X−Y平面に平行な上面及び下面を有し、厚み方向がZ軸方向である薄膜の電極である。上部電極14は、エミッタ部13を下部電極12との間に挟み、且つ、下部電極12に対向するようにエミッタ部13の上部に形成されている。上部電極14には、図4及び上部電極14の部分拡大平面図である図5に示したように、複数の微細な貫通孔14aが形成されている。微細貫通孔14aの周部であってエミッタ部13(エミッタ部13の上面)と対向する部分は、エミッタ部13(エミッタ部13の上面)から所定の距離だけ離間している。この上部電極14の構造は、「庇構造」とも呼ばれる。
The
下部電極12、エミッタ部13及び有機金属ペースト(例えば、白金レジネートペースト)からなる上部電極14は焼成処理によって一体化させられている。この一体化のための焼成処理により、上部電極14となる膜が例えば厚み10μmから厚み0.1μmに収縮する。このとき、上部電極14には前述した複数の微細貫通孔14aが形成される。
The
再び、図3を参照すると、電子放出装置10は、透明板15、コレクタ電極16、蛍光体17及び収容部材18を更に備えている。
Referring again to FIG. 3, the
透明板15は、互いに平行な上面及び下面を有し、これらの面に直交する方向に厚み方向を有する薄板体である。透明板15の平面視における形状は、電子放出素子10Aと略同一の長方形である。透明板15は、透明な材質(ここでは、ガラス又はアクリル)からなっている。透明板15は、電子放出素子10Aの上方(Z軸正方向)に、電子放出素子10Aの上面(上部電極14の上面)から所定の距離だけ離れた位置に配設されている。透明板15は、その下面が上部電極14の平面(X−Y平面)と平行となるように配設されている。
The
コレクタ電極16は、透明の導電性物質(ここでは、透明導電膜,ITO)からなっている。コレクタ電極16は、透明板15の下面の全体に膜状に形成されている。コレクタ電極16は、電子放出素子10Aから放出される電子を加速・吸引する電界を形成するための電極である。
The
蛍光体17は、コレクタ電極16を覆うように透明板15の下面において膜状に形成されている。蛍光体17は、電子が衝突すると、その電子により励起状態となり、その励起状態から基底状態へと遷移するときに白色の光を発生するようになっている。このような白色蛍光体としての代表例は、Y2O2S:Tbである。なお、白色蛍光体は、赤色、緑色及び青色の光をそれぞれ発生する3種の蛍光体を適当な比率で混合することにより形成してもよい。蛍光体17が発生した光は、コレクタ電極16及び透明板15を通して上方に進行し、図示しない液晶ディスプレイに入射する。
The
密閉部材18は、電子放出素子10A、透明板15、コレクタ電極16及び蛍光体17を収容する密閉空間を形成する容器である。この密閉空間は略真空状態(例えば、102〜10−6Paが好ましく、より好ましくは10−3〜10−5Paの圧力)に維持されている。
The sealing member 18 is a container that forms a sealed space that houses the electron-emitting
駆動電圧印加部20は、駆動電圧Vinを下部電極12と上部電極14との間に印加するようになっている。駆動電圧Vinは、所定の時間だけ上部電極14の電位を下部電極12の電位よりも低くする電圧(前記負側最大印加電圧)Vmとなり、次いで、上部電極14の電位と下部電極12の電位とを等しくさせる電圧を経て、上部電極14の電位を下部電極12の電位よりも所定の時間だけ高くする電圧(前記正側最大印加電圧)Vpとなるパルス状電圧を繰り返す電圧である。
The drive
バイアス電源30は、直流定電圧電源31と抵抗32とを備えている。直流定電圧電源31は、コレクタ電極16に対し、抵抗32を介して正の所定電圧Vcを印加するようになっている。これにより、コレクタ電極16は、電子放出素子10Aから放出される電子を加速・吸引する電界を形成し、電子放出素子10Aから放出された電子を捕獲するようになっている。
The
(電子放出の原理及び作動)
次に、上記のように構成された電子放出装置10の電子放出に関する作動原理について説明する。図6は、電子放出素子への印加電圧(上下電極間の実際の電位差である素子電圧)と、同電子放出素子の上下電極間に現れる電荷量と、の関係を示した電圧−分極特性線図である。
(Principle and operation of electron emission)
Next, the operation principle regarding the electron emission of the
先ず、電子放出素子が図6における破線S0で囲まれた領域の状態にあるとする。このとき、図7に示したように、エミッタ部13の電子は総て放出されていて、電子はエミッタ部13に蓄積されていない。即ち、エミッタ部13の上部は帯電していない。エミッタ部13の双極子DPの負極側はエミッタ部13の上面(Z軸正方向、即ち、上部電極14側)に向いた状態となっている。
First, it is assumed that the electron-emitting device is in a state surrounded by a broken line S0 in FIG. At this time, as shown in FIG. 7, all the electrons in the
この状態において、上部電極14の電位が下部電極12の電位よりも低い電位となるように駆動電圧Vinが負の所定電圧Vmに設定されると、電荷量Qは徐々に減少して行く。そして、実際の素子電圧Vka(下部電極12の電位を基準としたときの上部電極14の電位であって、図6における印加電圧V)が負の抗電界電圧の近傍の電圧になると、図8に示したように、エミッタ部13の双極子DPの向きが反転し始める。即ち、分極反転(負側分極反転)が開始する。この状態は、図6の破線S1−1で囲まれた領域の状態である。
In this state, when the drive voltage Vin is set to a predetermined negative voltage Vm so that the potential of the
この負側分極反転により、エミッタ部13の上面と、上部電極14と、これらの周囲の媒質(この場合、真空)との接触箇所(トリプルジャンクション)及び/又は微細貫通孔14aを形成している上部電極14の先端部分において電界が大きくなり(電界集中が発生し)、図9に示したように、上部電極14からエミッタ部13に向けて電子が供給され始める。この供給された電子は、主としてエミッタ部13の上部であって上部電極14の微細貫通孔14aから露呈している部分の近傍及び微細貫通孔14aを形成している上部電極14の端部近傍(以下、単に「微細貫通孔14a近傍」とも言う。)に蓄積されて行く。この状態は、図6の破線S1−2で囲まれた領域の状態である。その後、負側分極反転が完了すると、素子電圧Vkaは負の所定電圧Vmに向けて急激に変化する。この結果、電子の蓄積が完了する(電子の蓄積飽和状態に至る)。
By this negative side polarization reversal, contact points (triple junction) and / or fine through-
この状態において、上部電極14の電位が下部電極12の電位よりも大きい電位となるように駆動電圧Vinが正の所定電圧Vpに設定されると、電荷量Qは徐々に増大し始める。そして、素子電圧Vka(印加電圧V)が正の抗電界電圧より僅かに小さい電圧に到達するまでは、図10に示したように、エミッタ部13の帯電状態が維持される。この状態は、図6の破線S2で囲まれた領域の状態である。
In this state, when the drive voltage Vin is set to a positive predetermined voltage Vp so that the potential of the
その後、素子電圧Vkaは正の抗電界電圧の近傍の電圧に到達する。これにより、図11に示したように、双極子DPの負極側がエミッタ部13の上面側に向き始める。即ち、分極が再び反転する(正側分極反転が開始する。)。この状態が図6の破線S3−1で囲まれた領域の状態である。
Thereafter, the element voltage Vka reaches a voltage in the vicinity of the positive coercive electric field voltage. As a result, as shown in FIG. 11, the negative electrode side of the dipole DP starts to face the upper surface side of the
その後、正側分極反転が継続的に発生すると、負極側がエミッタ部13の上面側に反転した双極子DPの数が多くなる。この結果、図12に示したように、微細貫通孔14aの近傍に蓄積されていた電子は、双極子DPからクーロン斥力を受け、微細貫通孔14aを通って上方(Z軸正方向)に放出される。この状態が図6の破線S3−2で囲まれた領域の状態である。
Thereafter, when positive side polarization reversal occurs continuously, the number of dipoles DP whose negative side is reversed to the upper surface side of the
その後、電子の放出は完了し、素子電圧Vkaは電圧Vpに到達する。この結果、エミッタ部13の状態は図7に示した当初の状態に復帰する。以上が、電子の蓄積及び放出に係る一連の作動原理(一回の電子放出サイクル)である。このように、電子放出素子は、一回の電子放出サイクルにおいて、多量の電子を一つのパルス状となるように発生する。
Thereafter, the electron emission is completed, and the element voltage Vka reaches the voltage Vp. As a result, the state of the
(各種の誘電体と放出電子量)
以下、エミッタ部13に特性が異なる誘電体を使用して行った各種の実験結果について説明する。
(Various dielectrics and amount of emitted electrons)
Hereinafter, various experimental results performed using dielectrics having different characteristics for the
<強誘電体材料と電歪材料との比較>
図1に示した電圧−分極特性線図は、強誘電体材料からなる誘電体13を備えた電子放出素子(サンプル1)についての測定結果であった。この場合、測定は室温(25℃)にて行った。なお、サンプル1は上述した3成分系材料PMN−PT−PZからなる。発明者は、同様な実験を、電歪材料からなる誘電体13を備えた電子放出素子(サンプル2)に対し行ったところ、図13に示した結果を得た。サンプル2は、2成分系材料PMN−PTからなる。また、本明細書における「電圧−分極特性線図」を得る実験(測定)方法については後述する。
<Comparison between ferroelectric material and electrostrictive material>
The voltage-polarization characteristic diagram shown in FIG. 1 is a measurement result of the electron-emitting device (sample 1) provided with the dielectric 13 made of a ferroelectric material. In this case, the measurement was performed at room temperature (25 ° C.). Sample 1 is made of the above-described ternary material PMN-PT-PZ. The inventor conducted a similar experiment on the electron-emitting device (sample 2) provided with the dielectric 13 made of an electrostrictive material, and obtained the result shown in FIG. Sample 2 is made of a two-component material PMN-PT. Further, an experiment (measurement) method for obtaining a “voltage-polarization characteristic diagram” in this specification will be described later.
これらのサンプル1及びサンプル2について、放出電子量、総分極量Pに対する残留分極量Prの比Pr/P、及び、総分極量Pに対する負極性分極減少量ΔPの比ΔP/Pについて測定した結果を表1に示す。
この表1から、エミッタ部13が強誘電体材料からなる場合(サンプル1)の放出電子量は、エミッタ部13が電歪材料からなる場合(サンプル2)の放出電子量に比較して非常に大きいことが理解される。また、図1と図13とを比較すると、サンプル1の正側分極反転時電荷量変化率は、サンプル2の正側分極反転時電荷量変化率よりも大きいことが理解される。このとき、サンプル1の比Pr/Pは0.7以上であり、サンプル2の比Pr/Pは0.7より小さかった。また、サンプル1の比ΔP/Pは0.1以下であり、サンプル2の比ΔP/Pは0.1より大きかった。
From Table 1, the amount of emitted electrons when the
<強誘電体材料の加熱実験結果>
次に、上記サンプル1(エミッタ部13に強誘電体材料を用いた電子放出素子)について、そのエミッタ部13の温度(素子温度)を変更して行った実験結果について述べる。この強誘電体材料のキュリー温度Tcは150℃である。この実験において、エミッタ部13を加熱し、その温度を75℃、100℃、140℃及び150℃まで加熱した電子放出素子を、便宜上、サンプル3、サンプル4、サンプル5及びサンプル6とそれぞれ称呼する。なお、係る加熱は、電子放出素子を内部に載置した真空容器を恒温槽内に載置して十分な時間行った。実験上の素子の温度は、素子を内部に載置した真空容器の表面温度である。
<Results of heating experiments on ferroelectric materials>
Next, a description will be given of experimental results obtained by changing the temperature (element temperature) of the
素子温度を室温とした場合(サンプル1)の電圧−分極特性線図は、図1に示した通りである。これに対し、サンプル3乃至サンプル6の電圧−分極特性線図を、図14乃至図図17に示す。 The voltage-polarization characteristic diagram when the element temperature is room temperature (sample 1) is as shown in FIG. On the other hand, voltage-polarization characteristic diagrams of Samples 3 to 6 are shown in FIGS.
これらのサンプル(サンプル1及びサンプル3〜6)について、放出電子量、総分極量Pに対する残留分極量Prの比Pr/P、及び、総分極量Pに対する負極性分極減少量ΔPの比ΔP/Pについて測定した結果を表2に示す。
図18は、表2を元に比Pr/Pに対する放出電子量を図示したグラフである。図18から、比Pr/Pが0.7以上の領域において、放出電子量が著しく増大していることが理解される。 FIG. 18 is a graph illustrating the amount of emitted electrons with respect to the ratio Pr / P based on Table 2. From FIG. 18, it is understood that the amount of emitted electrons is remarkably increased in the region where the ratio Pr / P is 0.7 or more.
図19は、表2を元に比ΔP/Pに対する放出電子量を図示したグラフである。図19から、比ΔP/Pが0.1以下の領域において、放出電子量が著しく増大していることが理解される。 FIG. 19 is a graph illustrating the amount of emitted electrons with respect to the ratio ΔP / P based on Table 2. From FIG. 19, it is understood that the amount of emitted electrons is remarkably increased in the region where the ratio ΔP / P is 0.1 or less.
<キュリー温度の異なる誘電体材料についての実験結果>
次に、キュリー温度Tcが互いに異なる誘電体材料を備える電子放出素子(サンプル7〜サンプル12)を複数準備し、それらについて同様な実験を室温にて行った。各サンプルのキュリー温度は図20乃至図25に示したとおりである。なお、サンプル7〜サンプル12は、何れも、2成分系材料PMN−PTからなる。
<Experimental results on dielectric materials with different Curie temperatures>
Next, a plurality of electron-emitting devices (samples 7 to 12) including dielectric materials having different Curie temperatures Tc were prepared, and similar experiments were performed at room temperature. The Curie temperature of each sample is as shown in FIGS. Samples 7 to 12 are each made of a two-component material PMN-PT.
これらのサンプル(サンプル7〜12)について、放出電子量、総分極量Pに対する残留分極量Prの比Pr/P、及び、総分極量Pに対する負極性分極減少量ΔPの比ΔP/Pについて測定した結果を表3に示す。
図26は、表3を元に比Pr/Pに対する放出電子量を図示したグラフである。図27は、表3を元に比ΔP/Pに対する放出電子量を図示したグラフである。表3、図26及び図27から、キュリー温度Tcが高いサンプル10〜12の放出電子量は、キュリー温度Tcが低いサンプル7〜9の放出電子量よりも非常に大きいことが理解できる。このとき、サンプル10〜12の比Pr/Pは0.3以上であり、比ΔP/Pは0.1以下であった。これに対し、サンプル7〜9の比Pr/Pは0.3より小さく、比ΔP/Pは0.1より大きかった。
FIG. 26 is a graph illustrating the amount of emitted electrons with respect to the ratio Pr / P based on Table 3. FIG. 27 is a graph illustrating the amount of emitted electrons with respect to the ratio ΔP / P based on Table 3. From Table 3, FIG. 26 and FIG. 27, it can be understood that the amount of emitted electrons of the
(「電圧−分極特性線図」を得る実験(測定)方法)
最後に、上記各「電圧−分極特性線図」(従って、放出電子量、総分極量P、残留分極量Pr及び負極性分極減少量ΔP等)を得るために行った測定方法について簡単に述べる。図28は、この測定に使用する回路図である。
(Experiment (measurement) method to obtain a "voltage-polarization characteristic diagram")
Finally, the measurement method performed to obtain each of the above “voltage-polarization characteristic diagrams” (therefore, the amount of emitted electrons, the total polarization amount P, the residual polarization amount Pr, the negative polarization decrease amount ΔP, etc.) will be briefly described. . FIG. 28 is a circuit diagram used for this measurement.
放出電子量は、コレクタ電極16に到達した電子がもたらす電流Ieを電流計30aを用いて測定し、その電流Ieを一回の電子放出サイクルに対して積分することにより得る。また、電圧−分極特性線図は、上部電極14と下部電極12との間を流れる電流Idriveを電流計20aにて測定し、そのときの上部電極14と下部電極12との電位差(印加電圧)Vdriveに対して測定した電流Idriveの積分値をグラフ上にプロットすることにより得る。その電圧−分極特性線図から、総分極量P、残留分極量Pr及び負極性分極減少量ΔP等を得る。
The amount of emitted electrons is obtained by measuring the current Ie caused by the electrons reaching the
(まとめ)
以上、説明したように、電子放出素子の総分極量Pに対する残留分極量Prの比Pr/Pについては、その比Pr/Pが少なくとも0.7以上であれば、非常に大きい放出電子量が得られることが理解される。また、総分極量Pに対する負極性分極減少量ΔPの比ΔP/Pについては、その比ΔP/Pが0.1以下であれば、非常に大きい放出電子量が得られることが理解される。この理由は、上記推定理由1及び2にて述べたとおりである(比Pr/Pが大きいことは、比ΔP/Pが小さいことと事実上等価の意味を持つ。)。従って、本発明によれば、より小さい消費電力でより多くの電子を放出することができる電子放出素子が提供される。
(Summary)
As described above, regarding the ratio Pr / P of the remanent polarization amount Pr to the total polarization amount P of the electron-emitting device, if the ratio Pr / P is at least 0.7 or more, a very large amount of emitted electrons is obtained. It is understood that it is obtained. In addition, regarding the ratio ΔP / P of the negative polarization reduction amount ΔP to the total polarization amount P, it is understood that a very large amount of emitted electrons can be obtained if the ratio ΔP / P is 0.1 or less. The reason for this is as described in the above estimation reasons 1 and 2 (a large ratio Pr / P is effectively equivalent to a small ratio ΔP / P). Therefore, according to the present invention, an electron-emitting device capable of emitting more electrons with less power consumption is provided.
10…電子放出装置、10A…電子放出素子、11…基板、12…下部電極、13…エミッタ部、14…上部電極、14a…微細貫通孔、15…透明板、16…コレクタ電極、17…蛍光体。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記駆動電圧が付与されて前記電子が繰り返し放出されている場合における前記エミッタ部の総分極量Pに対する残留分極量Prの比Pr/Pが、0.7以上であることを特徴とする電子放出素子。 An emitter part made of a dielectric, a lower electrode formed at the lower part of the emitter part, and an upper part of the emitter part so as to face the lower electrode with the emitter part sandwiched between the lower electrode. And an upper electrode formed so that a plurality of fine through-holes are formed and a surface of the fine through-hole that is opposed to the emitter part is spaced apart from the emitter part by a predetermined distance; Yes, and an electron-emitting device that emits repeatedly a plurality of electrons through the micro through holes when a predetermined drive voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode,
A ratio Pr / P of a remanent polarization amount Pr to a total polarization amount P of the emitter section when the driving voltage is applied and the electrons are repeatedly emitted is 0.7 or more. element.
前記上部電極の電位が前記下部電極の電位よりも低い電位に設定されたときの分極量と同上部電極の電位が同下部電極の電位と同電位に設定されたときの残留分極量との差の絶対値を負極性分極減少量ΔPと定義したとき、前記駆動電圧が付与されて前記電子が繰り返し放出されている場合の前記一つのサイクルにおける総分極量Pに対する負極性分極減少量ΔPの比ΔP/Pが0.1以下であることを特徴とする電子放出素子。 An emitter part made of a dielectric, a lower electrode formed at the lower part of the emitter part, and an upper part of the emitter part so as to face the lower electrode with the emitter part sandwiched between the lower electrode. And an upper electrode formed so that a plurality of fine through-holes are formed and a surface of the fine through-hole that is opposed to the emitter part is spaced apart from the emitter part by a predetermined distance; The potential of the upper electrode is set to a potential lower than the potential of the lower electrode, then the potential of the upper electrode is set to the same potential as the potential of the lower electrode, and then the upper electrode When a drive voltage with one cycle set to a potential higher than the potential of the lower electrode is applied between the upper electrode and the lower electrode, a plurality of through the fine through holes of the upper electrode That emits a single pulse of electrons A release element,
The difference between the amount of polarization when the potential of the upper electrode is set lower than the potential of the lower electrode and the amount of residual polarization when the potential of the upper electrode is set to the same potential as the potential of the lower electrode Is defined as the negative polarization reduction amount ΔP, the ratio of the negative polarization reduction amount ΔP to the total polarization amount P in the one cycle when the driving voltage is applied and the electrons are repeatedly emitted. An electron-emitting device, wherein ΔP / P is 0.1 or less.
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