JPH0494032A - 電子放出素子、電子源、画像形成装置及び、それらの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、冷陰極型の電子放出素子、及び該素子を用い
た画像形成装置に関する。

［従来の技術］ 従来、簡単な構造で電子の放出が得られる素子として、
例えばエム　アイ　エリンソン（Ｍ。

ｒ、Ｅｌｉｎｓｏｎ）等によって発表された冷陰極素子
が知られている［ラジオ　エンジニアリング　エレクト
ロン　フィジックス（Ｒａｄｉ。

Ｅｎｇ、　　Ｅｌｅ、ｃｔｒｏｎ　Ｐｈｙｓ、）第１．
０巻、１２９０〜１２９６頁、１９６５年コ。

これは、基板上に形成された小面積の薄膜に、膜内に平
行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を利
用するもので、一般には表面伝導形電子放出素子と呼ば
れている。

この表面伝導形電子放出素子としては、前記エリンソン
等により開発された５ｎｏ２　（Ｓｂ）薄膜によるもの
［ジー・ディトマー“スイン　ソリド　フィルムス”　
（Ｇ、Ｄｉｔｔｍｅｒ：“Ｔｈ１ｎ　　５ｏｌｉｄ　　
Ｆｉｌｍｓ”）、９巻３１７頁、（１９７２年）］、Ｉ
ＴＯ薄膜によるもの［エム　ハートウェル　アンド　ジ
−シーツオンスタッド　“アイイーイーイートランス”
イーディーフンファレン（Ｍ、Ｈａｒｔｗｅ　１１ａｎ
ｄ　　Ｃ，Ｇ、Ｆｏｎｓｔａｄ；　　“Ｉ　ＥＥＥＴｒ
ａｎｓ、ＥＤ　　Ｃｏｎｆ、”）５１９頁。

（１９７５年）］、カーボン薄膜によるもの［荒木久他
：　“真空”第２６巻、第１号、２２頁。

（１９８３年）］・などが報告されている。

これらの表面伝導形電子放出素子の典型的な素子構成を
第１図に示す。同図において１および２は電気的接続を
得るための電極、３は電子放出材料で形成される薄膜、
４は基板、５は電子放出部を示す。

従来、これらの表面伝導形電子放出素子においては、電
子放出を行う前に予めフォーミングと呼ばれる通電加熱
処理によって電子放出部を形成する。即ち、前記電極１
と電極２の間に電圧を印加する事により、薄膜３に通電
し、これにより発生するジュール熱で薄膜３を局所的に
破壊、変形もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗な状態
にした電子放出部５を形成することにより電子放出材料
を得ている。

なお、電気的に高抵抗状態とは、薄膜３の一部に、０．
５μｍ〜５μｍの亀裂を有し、かつ亀裂内が、いわゆる
海島構造を有する不連続状態膜をいう。海島構造とは一
般に数十人から数μｍ径の微粒子が基板４にあり、各微
粒子は空間的に不連続で電気的に連続な膜をいう。

従来、表面伝導形電子放出素子は上述高抵抗不連続膜に
電極１．２により電圧を印加し、素子表面に電流を流す
ことにより、上述微粒子より電子を放出せしめるもので
ある。

しかしながら、上記の様な従来の通電加熱によるフォー
ミング素子には次のような問題点があった。

１）電子放出部となる海島構造の設計が不可能なため、
素子の改良が難しく、素子間のばらつきも生じやすい。

２）フォーミング工程の際に生じるジュール熱が大きい
為、基盤が破壊しやすくマルチ化が難しい。

３）島の材料が金、銀、ＳｎＯ２，’ＩＴＯ等に限定さ
れた仕事関数の小さい材料が使えないため、大電流を得
ることができない。

以上のような問題点があるため、表面伝導形電子放出素
子は、素子構造が簡単であるという利点があるにもかか
わらず、産業上積極的に応用されるには至っていなかっ
た。

本発明者等は上記問題点を鑑みて検討した結果、特願昭
６３−１−７５７０号、特願昭６３−１１０４８号にお
いて、電極間に微粒子膜を配置しこれに通電処理を施す
ことにより電子放出部を設ける新規な表面伝導形電子放
出素子を提案した。この新規な電子放出素子の構成図を
第２図に示す。

同図において、１１及び１２は電極、１３は微粒子膜、
１４は電子放出部、１５は基板である。

この電子放出素子の特徴としては次のようなことが挙げ
られる。

１）微粒子膜１３に非常に少ない電流を流すことで電子
放出部１４を形成できるので素子劣化のない素子が形成
でき、さらに電極の形状を任意に設計できる。

２）微粒子膜を形成する微粒子自身が電子放出の構成材
となる為、微粒子の材料や形状等の設計が可能となり、
電子放出特性を変えることができる。

３）素子の構成材である基板１５や電極の材料の選択性
が広がる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記発明者等が先に提案した表面伝導形
電子放出素子においては、第２図に示す、電極間の微粒
子膜１３内に電子放出部１４が形成され、該電子放出部
１４が電子の放出位置になっているが、実際には、電子
放出部１４は０．０１μｍ〜０，５μｍの微細な範囲か
ら形成されており、その位置は、微粒子膜の形成条件や
通電処理の条件等によってばらつきが生じ；電極間の所
定の位置に正確に配置することが困難であった。

第２図において、電子放出部は直線的に描かれているが
、実際には電極１１及び１２の間でかなり蛇行しており
、通電条件によりその形態はかなり変化し、電子放出部
の実効的な長さが設計できなかった。

一般に、電極１１と１２の間隔は０．５μｍ〜５０μｍ
であるが、電極間が広くなる程電子放出の位置を制御す
ることが難しかった。

このような電子放出部の位置のばらつきは、電子放出と
して応用する場合、電子放出量にばらつきを生じ、特に
これらの素子を複数配置した面状電子源として応用する
場合には、場所によって電子放出量が変わるという問題
があった。

面状電子源の有効な応用として、特開昭５６−２３４４
５号公報に記載しであるような、面状に展開した複数の
電子源と、この電子源から電子ビームの照射を各々受け
る蛍光体ターゲットとを、各々相対向させた薄形の画像
形成装置があるが、この画像形成装置の電子源として上
記表面伝導形電子放出素子を応用すると、各素子の電子
放出量が異なる為、場所によって蛍光体の蛍光輝度が異
なり表示むらを生じていた。

また、上述した通電加熱を施す従来の電子放出素子にお
いては、通電加熱に要するパワーが大きい為電子放出部
や基板の劣化が著しく、電子放出特性や電子放出部の位
置を制御することは不可能であった。

すなわち、本発明の目的とするところは、上述のような
従来技術の問題点を解消した電子放出素子及び該素子を
用いた画像形成装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］上述課題を解消
すべく達成された本発明の特徴とするところは、 第１に、段差部を有した絶縁性基板上に、該段差部を挾
み電気的に接続された微粒子から成る低抵抗部と該低抵
抗部に通電するための一対の電極を設けた電子放出素子
において、該素子の段差部が絶縁性基板と異なる熱伝導
率を有した部材から成り、かつ、該素子の電子放出部が
前記段差近傍に位置する電子放出素子としている点にあ
る。

第２に、真空容器内に少なくとも、前記第１に述べた電
子放出素子を複数並べた電子源と、該電子源から放出さ
れた電子の照射により画像を形成する画像形成部材とを
有する画像形成装置としている点にある。

すなわち本発明は、対向する電極間に微粒子膜又は微粒
子を含む薄膜導電体を設け、その一部に絶縁性基板と熱
伝導率の異なる部材の段差部を設けることで、上述問題
点を解決するものである。

以下、本発明の構成要素及び作用について詳述する。

本発明における微粒子膜は、粒径が十人から数μｍの導
電性微粒子の膜であり、薄膜導電体としては導電性微粒
子膜やこれら導電性微粒子が分散されたカーボン薄膜が
挙げられる。そしてこれらの膜はガスデポジション法や
分散塗布法等により電極間に形成される。

形状が定まった電子放出部の形成方法としては様々な方
法が考えられるが、その−例としては次のようなものが
ある。

第３図は本発明の一実施態様を示す素子構成図である。

同図において、３Ｉは絶縁性基板、３２は電子放出部規
定部材、３３と３４は電極、３５は微粒子膜である。

本発明の電子放出素子は、第２図で示す電子放出素子に
対し電子放出部規定部材３２があることを特徴とする。

ここでいう電子放出部規定部材についての形状と材料に
ついて以下で説明する。

電子放出部規定部材によって形成される段差の大きさは
、厚さが１００人から十μｍの間であればよく、０．１
μｍ〜１μｍであれば更に良い。

また幅は電極間隔より狭ければよく電極間隔の１／２以
下であれば更に良い。

電子放出部規定部材は基板と熱伝導率が異なる材料であ
れば良く、微粒子の材質、電極の間隔、電子放出部規定
部材の違いによって適当な材料を選択する必要がある。

効果としては絶縁性基板と少しでも熱伝導率の異なる材
料であればよい。好適条件としては熱伝導率が２倍以上
異なるものが望ましい。例えば、絶縁性基板に青板ガラ
スを用いたときはアルミナ等の絶縁材料、Ａｕ等の金属
材料を用いる。また、絶縁性基板と比べ熱伝導率の大小
を変えることにより電子放出部規定部材の上または側面
、又は規定部に沿う絶縁性基板上に電子放出部が形成で
きる。

電極３３と３４の間隔は０．１μｍ　〜１００μｍが望
ましく、一般には０．５μｍ　〜１０ＬＬｍが実用的で
ある。また、電子数８部規定部材３２の厚さはその材料
の種類にもよるが、通常数１００人〜数μｍが望ましく
、一般には０．１μｍ〜１μｍが実用的である。

次に、電極間に有機金属を分散塗布し、その後焼成する
ことにより電極間に金属微粒子膜を形成する。金属微粒
子膜の微粒子の径は＋λ〜数μｍが好ましく、その材料
はＰ　ｄ　＋　Ａ　ｇ　＋　Ａ　ｕ　＋　Ｔ　１等の金
属、Ｐｄｏ、５ｎ０２等の酸化物導電体導電性材料であ
ればどれを用いても構わない。

以上のような段差部に設けられた微粒子膜に通電処理を
施すと、第３図に示すように電子放出部規定部材段差に
沿って電子放出部３６が直線上に形成され、上述従来例
のような電子放出部が蛇行することはない。かかる電子
放出部は通電の方向や微粒子材料の種類、電子放出部規
定部材の種類、厚さ等によって規定材の上側か下側ある
いは側面のいずれかに形成することができる。

勿論、規定部材が曲線であれば電子放出部は部材に沿っ
て曲線に形成されるものである。

通電処理の方法は、微粒子膜を通電加熱によりその一部
を高抵抗化して電子放出を形成するものや、微粒子膜に
通電することによりその一部を低抵抗化して電子放出部
を形成するものがあるがいずれを用いても構わない。

かかる通電処理時に微粒子膜の構造が変わり、上述した
ような不連続な電子放出部が形成される。実際、段差３
２が構造変化にどのような役割を果たしているのかは不
明であるが、発明者等は電子放出部規定部材段差部近傍
で温度分布或は電界分布が不連続となり、それが原因で
電子放出部層定材に沿って電子放出部が形成されるもの
と推測している。また、単なる段差形状のものと比較し
て段差部材として熱伝導率の異なる材料を用いると、よ
り制御性が向上する。よって、電極間に基板と熱伝導率
のことなる材料を設ける以外にも温度と電界が不連続に
なる部材を設ければ同等な効果が得られるものと期待で
きる。

第５図〜第６図は、本発明の一実施態様を示す素子断面
図であるが電子放出部規定部材による段差の形状は上述
のような三角形段差３７の他にも、第６図で示す階段上
段差３８等様々なものが考えられ、上述第３図の凸型形
状と同等な作用効果がある。

本発明の電子放出素子は、形状が定まった電子放出部と
電子放出部を挾み電気的に接続された微粒子膜と該電子
放出部と該微粒子膜に電流を通電するための電極を設け
るという素子構造であり、従来例と比較すれば電子放出
特性の制御が可能であるばかりでなく素子の再現性が得
られるようになる。

前述した複数の電子放出素子を設けた画像形成装置に於
いて、本発明の電子放出素子を用いれば、各素子の電子
放出量が同等となる為、表示むらがない良好な画像が形
成される。

［実施例］ 以下に、本発明を実施例を用いて更に詳述する。

実１目乳↓ 第３図は、本実験例の素子構成図であり、第４図はその
製造方法を示した説明図である。

先ず、本実施例の電子放出素子の製造方法を概略的に説
明する。

■、絶縁性基板（石英基板）３１を十分洗浄し通常良く
用いられる蒸着技術ホトリソ・エツチング技術を用いて
電極３３及び３４を形成する。電極の材料としては導電
性を有するものであればどのようなものであっても構わ
ないが、本実施例ではＮｉ金属を用いて形成した。この
電極間隔は実用的には０．５ｕｍ〜２０μｍに形成され
ることが望ましく、本実験例では５μｍギャップに形成
した。

０６次に通常よ（用いられる薄膜バターニングプロセス
により電子放出部規定部材３２を形成する。部材はアル
ミナとし、幅は１μｍ、厚さは１μｍとした。

００次に有機パラジウムを電極３３と３４の間に分散塗
布する。有機パラジウムは奥野製薬（株）ＣＣＰ−４２
３０を用いた。

微粒子を分散したくないところにはテープ又はレジスト
膜を設け、その後ディッピング法又はスピナー法で有機
パラジウムを塗布する。次に３００℃で１時間焼成し有
機パラジウムを分散し、パラジウムと酸化パラジウムの
混合した微粒子膜を形成する。次にテープ又はレジスト
膜を剥離することにより所定の位置に微粒子膜３５を作
成した。微粒子膜の幅Ｗ（第４図の断面に垂直方向）は
どのような値のものでも構わないが本実施例では１ｍｍ
とした。このとき、パラジウムと酸化パラジウムの微粒
子の径は共に１０人〜１５０人であったが本発明はこれ
に限るものではない。

■１次に電極３３をマイナス側、電極３４をプラス側と
なるように電源に接続し、微粒子膜３５に通電処理を行
った。その結果、第３図に示すように電子放出部規定部
材３２の段差に沿って電子放出部３６が形成された。

ここで通電処理前の微粒子膜の厚さは数十人から２００
人が実用的であるがこれに限るものではない。尚、この
ときの微粒子膜のシート抵抗は１０３〜１０Ｉ０Ω／口
程度である。又、微粒子膜３５の膜厚は、規定部材３２
の領域を含めて電極間でほぼ均一であると考えられる。

本実施例に於ける通電処理に於いて電流の流れる向きを
電極３４から電極３３側にしたが、このように設定する
ことにより再現良く上述した位置に電子放出部を形成で
きた。

本実施例の電子放出素子を電子放圧規定部材を設けてい
ない従来の電子放出素子と比較したところ、電子放出効
率に於いてはほぼ同等の値が得られた。つぎに電子放出
部の形状を比較すると従来の素子は１ｍｍの幅にわたっ
て大きく蛇行しているにもかかわらず、本実施例の電子
放出素子は電子放出部規定部材３２の段差に沿ってほぼ
直線的に電子放出部が形成できた。電子放出部の位置が
正確に設定できることは、応用を考えると非常に重要な
意味がある。例えば、素子から放出された電子を偏向及
び変調するにあたって、その正確な制御をする為には電
子放出部の位置が正確に配置されている必要がある。よ
って、本実施例の電子数８素子は位置設計が可能な表面
伝導形電子放出素子を提供するものである。

１五±１ 第７図は本実施例の素子構成図である。

本実施例は、実施例１とほぼ同等の形状を成すものであ
るが、微粒子膜３５をガスデポジション法で作成したも
ので、電子放出部規定部材３２の側面上の３９は電子放
出部である。

次に本実施例の製造方法を説明する。

■、実施例１−■と同材質、同方法で作成する。

■、実施例１−■と同一 ■、実施例１−■と同一 ０３次に微粒子膜を所定の位置に形成する為に金属マス
クを電極３３と３４の間に配置し、ガスデポジション法
で微粒子膜３５を作成した。その材質は、Ａｕ、Ａｇ、
Ｔｉ、Ｓｎ、Ｐｄ等の金属またはその他のどのような導
電性微粒子を用いても構わないが、本実施例ではｐｂを
用いた。また、その粒径は５０人〜１５０人であったが
本実施例はこれによるものではない。

■、実施例１−■と同一。

以上の工程により、本実施例の電子放出部３９は、第８
図に示すように電子放出部規定部材３２の段差側面に形
成された。これはガスデポジション法による微粒子の作
成法に基づくものと考えられる。本実施例ではガスデポ
ジション法で微粒子を基板とほぼ直角方向から吹き付け
ている為に段差部の側面で微粒子膜の厚さが薄（形成さ
れ、通電処理により規定部材３２の側面に形成されたも
のと推測する。

本実施例は、実施例１と同様な検討をした結果、同等な
効果があった。

宜１ｄ糺ユ 第８図は、本実施例の画像形成装置を示す構成図である
。本実施例の面状電子源は、実施例１の電子放出素子を
複数配列したもので、とくに電極３３と電極３４の間に
電子放出素子を並列に配置した線電子源を数本基板に規
則正しく設けたものである。

同図において、４１はグリッド電極、４２は電子通過孔
、４３はガラス板、４４は蛍光体、４５はアルミニュム
材からなるメタルバック、４６はフェースプレート、４
７は蛍光体の輝点である。

本実施例において、グリッド電極４１は複数のライン電
極群からなり、面状電子源の電極群と直角方向に配置さ
れる。電子通過孔４２は電子放出部３６のほぼ鉛直上に
設けられ、グリッド電極４１を信号電極、線電子源群を
走査電極として、ＸＹマトリックス駆動を行い画像を形
成するものである。

フェースプレート４６は透明なガラス板４３の上に蛍光
体４４が一様に塗布され、さらにその上にメタルバック
４５を設けたものである。

本実施例の画像形成装置に於いて、電極３３と電極３４
に１４Ｖの電圧を印加することにより各電子放出部３６
から電子を放出させ、グリッド電極４１に適当な電圧を
印加することにより電子を引きだし蛍光体４４に電子を
衝突させた。本画像形成装置は、当然ながら真空度ｌＸ
ｌ０−’ＴｏｒｒＸＩＸ１０−’Ｔｏｒｒの環境下に置
かれ、蛍光体に５００〜５０００Ｖの電圧を印加した。

本実験において、電子放出部規定部材３２（段差）のな
い同様な画像形成装置と比較したところ次のような結果
を得た。

１）本実施例は各電子放出部から放出される電子量が等
しいので明るさが均一な表示画面が得られた。

２）本実施例は各電子放出部の位置が正確に定まってい
るので蛍光体上の輝点もほぼ同一な形状で規則正しい配
列であった。

それに比べ段差部のない装置は、輝点の形状と輝点のピ
ッチが場所によって異なっていた。

このことから本実施例は、カラー画像、高精細画像を得
るのに効果がある。

また、電極間隔２０ｕｍの素子に幅１μの電子放出部規
定部材を設けた場合の１００素子のバラツキを目視によ
り評価した結果を以下に示す。

以上、本実施例は画像形成装置についてのみ説明してき
たが、画像形成部材としては、蛍光体の他にレジスト材
や薄膜金属のような電子ビームが衝突することにより状
態が変化する全ての部材が含まれ、電子ビーム応用装置
としては、記録装置、記憶装置、電子ビーム描画装置等
の様々な装置があり、本発明は電子放出素子が複数配置
された面状電子源を用いた画像形成装置であれば同等の
効果がある。

夫１」引Ａ 本実施例の素子構成は第９図で示したものである。

本実施例は、実施例１と製造方法、材質は同じであるが
、３１絶縁性基板と３２電子放出部規定部材の間にＮｉ
の金属薄膜４０を設けている′。この場合の電子放出部
３６は実施例１．３と同様な位置に形成された。

また、本実施例は実施１．２．３と同様な検討をした結
果、同等な効果があった。

［発明の効果］ 以上説明したように、形状が定まった電子放出部を形成
することで電子放出素子あるいは画像形成装置として次
のような効果がある。

■、電子放出量や電子放出効率等の電子特性が制御でき
るだけでなく、素子間で特性のばらつきの少ない素子製
造が可能になった。

■９画像形成装置として均一な発光輝度の画像表示が得
られる。

■、電子放出部の位置が正確に定まるので、画像形成装
置として蛍光体の輝点形状が均一な画像表示が得られる
ようになった。

■、電子放出部の位置が正確に定まるので、画像形成装
置として変調電極の形状設計や制御系が簡易になる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の通電加熱によって作成された電子放出
素子の構成図である。 第２図は、従来の微粒子膜及び微粒子を含む薄膜導電体
を通電処理することにより作成された電子放出素子の構
成図である。 第３図は、本発明の実施例１に於ける電子放出素子の構
成図である。 第４図は、本発明の実施例１に於ける電子放出素子の製
造方法を示した説明図である。 第５〜６図は、本発明の他の実施形態を示す素子段差部
の断面図であり、第６図は、実施例４に於ける電子放出
素子の構成図である。 第７図は、実施例２に於ける電子放出素子の構成図であ
る。 第８図は、実施例３に於ける画像形成装置の構成図であ
る。 第９図は、実施例４に於ける電子放出素子の断面図であ
る。 １．２，１１，１２，３３．３４・・・電極３・・・薄
膜 ４．１５・・・基板 ５．１４，３６．３９・・・電子数土部１３．３５・・
・微粒子膜 ３１・・・絶縁性基板（石英基板） ３２．３７．３８・・・電子放出部規定部材４０・・・
金属薄膜 ４１・・・グリッド電極 ４２・・・電子通過孔 ４３・・・ガラス体 ４４・・・蛍光体 ４５・・・メタルバック ４６・・・フェースプレート ４７・・・蛍光体の輝点 電子放出素子の典型的な構成図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）段差部を有した絶縁性基板上に、該段差部を挟み
   電気的に接続された微粒子から成る低抵抗部と該低抵抗
   部に通電するための一対の電極を設けた電子放出素子に
   おいて、該素子の段差部が絶縁性基板と異なる熱伝導率
   を有した部材から成り、かつ、該素子の電子放出部が前
   記段差近傍に位置することを特徴とする電子放出素子。
2. （２）真空容器内に少なくとも、請求項１記載の電子放
   出素子を複数並べた電子源と、該電子源から放出された
   電子の照射により画像を形成する画像形成部材とを有す
   ることを特徴とする画像形成装置。