JPH11260242A

JPH11260242A - 電子放出素子、それを用いた電子源、画像形成装置及びそれらの製造方法

Info

Publication number: JPH11260242A
Application number: JP6090598A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Sakuma; 純郎佐久間
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】高品位画像形成装置を実現し得る電子ビーム
源としての電子放出素子を提供する。【解決手段】電極２，３間に、高さ１ｎｍ〜１０μｍ
の範囲の凸部７を有する磁性粒子からなる下地層６を形
成し、この下地層６上に導電性膜４を形成した後、通電
フォーミングを行って電子放出部５を形成する。【効果】電子放出部５の位置と形状を精度良く制御で
き、素子特性の均一化が実現される。

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、該
電子放出素子を多数個配置してなる電子源、及び該電子
源を用いて構成した表示装置や露光装置等の画像形成装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子放出素子には大別して熱
電子放出素子と冷陰極電子放出素子の２種類が知られて
いる。冷陰極電子放出素子には電界放出型（以下、「Ｆ
Ｅ型」と称す。）、金属／絶縁層／金属型（以下、「Ｍ
ＩＭ型」と称す。）や表面伝導型電子放出素子等が有
る。

【０００３】ＦＥ型の例としては、Ｗ．Ｐ．Ｄｙｋｅ
ａｎｄＷ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，“ＦｉｅｌｄＥｍ
ｉｓｓｉｏｎ”，ＡｄｖａｎｃｅｉｎＥｌｅｃｔ
ｒｏｎＰｈｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）ある
いはＣ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ， “Ｐｈｙｓｉｃａｌ
Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉ
ｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔ
ｈｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４７，５２４８（１９７６）
等に開示されたものが知られている。

【０００４】ＭＩＭ型の例としては、Ｃ．Ａ．Ｍｅａ
ｄ， “ＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＴｕｎｎｅｌ−Ｅｍ
ｉｓｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．，３２，６４６（１９６１）等に開示され
たものが知られている。

【０００５】表面伝導型電子放出素子の例としては、
Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ，ＲａｄｉｏＥｎｇ．
ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｈｙｓ．，１０，１２９０（１
９６５）等に開示されたものがある。

【０００６】表面伝導型電子放出素子は、絶縁性基板上
に形成された小面積の薄膜に、膜面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あ
る。この表面伝導型電子放出素子としては、前記エリン
ソン等によるＳｎＯ₂ 薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によ
るもの［Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ：“ＴｈｉｎＳｏｌｉｄ
Ｆｉｌｍｓ”，９，３１７（１９７２）］、Ｉｎ₂
Ｏ₃ ／ＳｎＯ₂ 薄膜によるもの［Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ
ａｎｄＣ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ：“ＩＥＥＥＴ
ｒａｎｓ．ＥＤＣｏｎｆ．”，５１９（１９７
５）］、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）］等が報告され
ている。

【０００７】これらの表面伝導型電子放出素子の典型的
な例として、前述のＭ．ハートウェルの素子構成を図１
４に模式的に示す。同図において１は基板である。４は
導電性膜で、Ｈ型形状のパターンに形成された金属酸化
物薄膜等からなり、後述の通電フォーミングと呼ばれる
通電処理により電子放出部５が形成される。尚、図中の
間隔Ｌは、０．５〜１ｍｍ、Ｗ’は、０．１ｍｍで設定
されている。

【０００８】これらの表面伝導型電子放出素子において
は、電子放出を行う前に導電性膜４を予め通電フォーミ
ングと呼ばれる通電処理によって電子放出部５を形成す
るのが一般的である。即ち、通電フォーミングとは、前
記導電性膜４の両端に電圧を印加通電し、導電性膜４を
局所的に破壊、変形もしくは変質させて構造を変化さ
せ、電気的に高抵抗な状態の電子放出部５を形成する処
理である。尚、電子放出部５では導電性膜４の一部に亀
裂が発生しており、その亀裂付近から電子放出が行われ
る。

【０００９】上述の表面伝導型電子放出素子は、構造が
単純であることから、大面積に亙って多数素子を配列形
成できる利点がある。そこで、この特徴を活かすための
種々の応用が研究されている。例えば、荷電ビーム源、
表示装置等の画像形成装置への利用が挙げられる。

【００１０】従来、多数の表面伝導型電子放出素子を配
列形成した例としては、並列に表面伝導型電子放出素子
を配列し、個々の表面伝導型電子放出素子の両端（両素
子電極）を配線（共通配線とも呼ぶ）にて夫々結線した
行を多数行配列（梯子型配置とも呼ぶ）した電子源が挙
げられる（例えば、特開昭６４−３１３３２号公報、特
開平１−２８３７４９号公報、同２−２５７５５２号公
報）。

【００１１】また、特に表示装置においては、液晶を用
いた表示装置と同様の平板型表示装置とすることが可能
で、しかもバックライトが不要な自発光型の表示装置と
して、表面伝導型電子放出素子を多数配置した電子源
と、この電子源からの電子線の照射により可視光を発光
する蛍光体とを組み合わせた表示装置が提案されている
（アメリカ特許第５０６６８８３号明細書）。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前記電子源、画像形成
装置等に用いられる電子放出素子については、明るい表
示画像を安定して提供できるよう更に安定な電子放出特
性及び電子放出の効率向上が要望されている。

【００１３】上記電子放出の効率とは、例えば前述の表
面伝導型電子放出素子であれば、導電性膜の両端に電圧
を印加した際に、これに流れる電流（以下、「素子電
流」と呼ぶ。）と真空中に放出される電流（以下、「放
出電流」と呼ぶ。）との比で評価されるものであり、素
子電流が小さく、放出電流が大きい電子放出素子が望ま
れている。

【００１４】安定的に制御し得る電子放出特性と効率の
より一層の向上がなされれば、例えば蛍光体を画像形成
部材とする画像形成装置においては、低電流で明るい高
品位な画像形成装置、例えばフラットテレビが実現され
る。また、低電流化に伴い、画像形成装置を構成する駆
動回路等のローコスト化も図れる。

【００１５】しかしながら、上述のＭ．ハートウェルの
電子放出素子にあっては、次のような問題があるため、
安定な電子放出特性及び電子放出効率について、必ずし
も満足のゆくものが得られておらず、これを用いて高輝
度で動作安定性に優れた画像形成装置を提供することは
極めて難しいというのが実状である。

【００１６】（１）すなわち、通電フォーミングによっ
て形成される導電性膜の局所的な破壊、変形もしくは変
質は、素子電流によって発生するジュール熱が起因とな
って生ずるものであるため、導電性膜の形成条件あるい
は通電処理の通電条件等によっては、導電性膜に発生す
る亀裂の位置にばらつきが生じ、導電性膜内の所定の位
置に正確に電子放出部を形成することが困難であった。

【００１７】（２）また、前記導電性膜に発生する亀裂
は、実際には、導電性膜の幅Ｗ’方向に蛇行して形成さ
れ、その蛇行の長さは素子毎にかなり変化し、導電性膜
の形成条件あるいは通電処理の通電条件等によっては、
電子放出部の実効的な長さが設計できないばかりではな
く、複数の電子放出素子において、各素子の電子放出量
のばらつきを生じ、均一で動作安定性に優れた画像形成
装置を提供することは極めて困難であった。

【００１８】本発明の目的は、上述した解決すべき技術
的課題を解決し、安定で均一な電子放出特性を有し、且
つ電子放出の効率向上を図った電子放出素子を提供する
ことにある。本発明の別の目的は、高輝度で動作安定性
に優れた画像形成装置を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成すべく
成された本発明の構成は、以下の通りである。

【００２０】すなわち、本発明の第一は、対向する電極
間に、高さ１ｎｍ〜１０μｍの範囲の凸部を有する磁性
粒子からなる下地層を備え、該下地層上に前記電極間を
連絡する導電性膜を有し、前記凸部に対応する前記導電
性膜の領域に電子放出部が形成されていることを特徴と
する電子放出素子にある。

【００２１】また、本発明の第二は、対向する電極間
に、電子放出部を有する導電性膜を備える電子放出素子
の製造方法において、少なくとも、電極間に磁性粒子か
らなる下地層を形成する工程と、該下地層に高さ１ｎｍ
〜１０μｍの範囲の凸部を形成する工程と、該凸部を有
する下地層上に導電性膜を形成する工程と、該導電性膜
に電子放出部を形成するフォーミング工程とを含むこと
を特徴とする電子放出素子の製造方法にある。

【００２２】上記本発明第二の製造方法は、更にその特
徴として、「前記磁性粒子からなる下地層に凸部を形成
する工程が、静磁界による磁性粒子の凝集を伴うもので
ある」こと、「前記磁性粒子が強磁性体からなる粒子で
あって、該強磁性体からなる粒子からなる下地層に凸部
を形成する工程に続いて、更に酸化雰囲気下で加熱焼成
することで該粒子を常磁性体からなる粒子とする工程を
含む」こと、をも含む。

【００２３】また、本発明の第三は、基体上に、複数の
電子放出素子が配列された電子源において、前記電子放
出素子が、上記本発明第一の電子放出素子であることを
特徴とする電子源にある。

【００２４】上記本発明第三の電子源は、更にその特徴
として、「前記複数の電子放出素子が、マトリクス状に
配線されている」こと、「前記複数の電子放出素子が、
梯子状に配線されている」こと、をも含む。

【００２５】また、本発明の第四は、基体上に、複数の
電子放出素子が配列された電子源の製造方法において、
前記電子放出素子が、上記本発明第二の方法にて製造さ
れることを特徴とする電子源の製造方法にある。

【００２６】また、本発明の第五は、基体上に、複数の
電子放出素子が配列された電子源と、該電子源から放出
される電子線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において、前記電子源が、上記
本発明第三の電子源であることを特徴とする画像形成装
置にある。

【００２７】更に、本発明の第六は、基体上に、複数の
電子放出素子が配列された電子源と、該電子源から放出
される電子線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の製造方法において、前記電子
源が、上記本発明第四の方法にて製造されることを特徴
とする画像形成装置の製造方法にある。

【００２８】本発明によれば、電極間に予め磁性粒子を
用いて凸部を形成することにより、この凸部に対応する
導電性膜の領域を他の領域に比べ薄く形成することがで
き、当該領域のみを高抵抗化することができる。このた
め、フォーミング処理において当該領域に選択的に亀裂
を形成することができ、位置及び形状が制御された均一
な電子放出部を形成することができる。これにより、均
一で安定な電子放出特性を有する電子放出素子を実現で
き、さらには動作安定性に優れ、良好な画像を形成し得
る画像形成装置を実現できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好ましい実施態様
を示す。

【００３０】本発明を適用し得る電子放出素子は、先述
したような冷陰極型の電子放出素子に分類されるもの
で、それらの中でも電子放出特性等の観点から特に表面
伝導型の電子放出素子が好適である。このため、以下で
は表面伝導型電子放出素子を例に挙げて説明する。

【００３１】図１は、本発明の表面伝導型電子放出素子
の一構成例を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図、
図１（ｂ）は縦断面図である。図１において、１は基
板、２と３は電極（素子電極）、４は導電性膜、５は電
子放出部、６は磁性粒子からなる下地層、７は下地層６
に形成された凸部である。

【００３２】基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不
純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、青板ガラ
スにスパッタ法等によりＳｉＯ₂ を積層した積層体、ア
ルミナ等のセラミックス及びＳｉ基板等を用いることが
できる。

【００３３】対向する素子電極２，３の材料としては、
一般的な導体材料を用いることができ、例えばＮｉ、Ｃ
ｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ等
の金属或は合金及びＰｄ、Ａｇ、Ａｕ、ＲｕＯ₂ 、Ｐｄ
−Ａｇ等の金属或は金属酸化物とガラス等から構成され
る印刷導体、Ｉｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂ 等の透明導電体及び
ポリシリコン等の半導体導体材料等から適宜選択され
る。

【００３４】素子電極間隔Ｌ、素子電極長さＷ１、導電
性膜４の形状等は、応用される形態等を考慮して、設計
される。素子電極間隔Ｌは、好ましくは、数百ｎｍから
数百μｍの範囲とすることができ、より好ましくは、素
子電極間に印加する電圧等を考慮して数μｍから数十μ
ｍの範囲とすることができる。

【００３５】素子電極長さＷ１は、電極の抵抗値、電子
放出特性を考慮して、数μｍから数百μｍの範囲とする
ことができる。素子電極２，３の膜厚ｄは、数十ｎｍか
ら数μｍの範囲とすることができる。

【００３６】下地層６は磁性粒子からなるもので、この
磁性粒子は粒径１０ｎｍ〜３μｍ程度の強磁性体からな
る磁性粒子であることが望ましく、その材料として例え
ばγ−酸化鉄等を用いることができる。

【００３７】下地層６に形成されている凸部７は、１ｎ
ｍ〜１０μｍの範囲の高さを有する。この様な凸部７を
形成しておくことにより、詳しくは後述するが、凸部７
に対応する導電性膜４の領域に電子放出部５を選択的に
形成することができる。

【００３８】導電性膜４を構成する材料としては、例え
ばＰｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｃｕ，
Ｃｒ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｐｂ等の金属、Ｐ
ｄＯ，ＳｎＯ₂ ，Ｉｎ₂ Ｏ₃ ，ＰｂＯ，Ｓｂ₂ Ｏ₃ 等の
酸化物、ＨｆＢ₂ ，ＺｒＢ₂，ＬａＢ₆ ，ＣｅＢ₆ ，Ｙ
Ｂ₄ ，ＧｄＢ₄ 等の硼化物、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，
ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣなどの炭化物、ＴｉＮ，ＺｒＮ，
ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体、カーボン等
が挙げられる。

【００３９】導電性膜４には、良好な電子放出特性を得
るために、微粒子で構成された微粒子膜を用いるのが好
ましい。その膜厚は、素子電極２，３へのステップカバ
レージ、素子電極２，３間の抵抗値及び後述するフォー
ミング条件等を考慮して適宜設定されるが、通常は、数
Å〜数百ｎｍの範囲とするのが好ましく、より好ましく
は１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲とするのが良い。その抵抗値
は、Ｒｓが１０² Ω／□から１０⁷ Ω／□の値であるの
が好ましい。なお、Ｒｓは、幅がｗで長さがｌの薄膜の
抵抗Ｒを、Ｒ＝Ｒｓ（ｌ／ｗ）と置いたときの値であ
る。

【００４０】ここで述べる微粒子膜とは、複数の微粒子
が集合した膜であり、その微細構造は、微粒子が個々に
分散配置した状態のみならず、微粒子が互いに隣接、あ
るいは重なり合った状態（いくつかの微粒子が集合し、
全体として島状構造を形成している場合も含む）をとっ
ている。微粒子の粒径は、数Å〜数百ｎｍの範囲、好ま
しくは、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲である。

【００４１】なお、本明細書では頻繁に「微粒子」とい
う言葉を用いるので、その意味について説明する。

【００４２】小さな粒子を「微粒子」と呼び、これより
も小さなものを「超微粒子」と呼ぶ。「超微粒子」より
もさらに小さく、原子の数が数百個程度以下のものを
「クラスター」と呼ぶことは広く行われている。

【００４３】しかしながら、それぞれの境は厳密なもの
ではなく、どの様な性質に注目して分類するかにより変
化する。また「微粒子」と「超微粒子」を一括して「微
粒子」と呼ぶ場合もあり、本明細書中での記述はこれに
沿ったものである。

【００４４】例えば、「実験物理学講座１４表面・微
粒子」（木下是雄編、共立出版１９８６年９月１日発
行）では、「本稿で微粒子と言うときにはその直径がだ
いたい２〜３μｍ程度から１０ｎｍ程度までとし、特に
超微粒子というときは粒径が１０ｎｍ程度から２〜３ｎ
ｍ程度までを意味することにする。両者を一括して単に
微粒子と書くこともあってけっして厳密なものではな
く、だいたいの目安である。粒子を構成する原子の数が
２個から数十〜数百個程度の場合はクラスターと呼
ぶ。」（１９５ページ２２〜２６行目）と記述されて
いる。

【００４５】付言すると、新技術開発事業団の“林・超
微粒子プロジェクト”での「超微粒子」の定義は、粒径
の下限はさらに小さく、次のようなものであった。

【００４６】「創造科学技術推進制度の“超微粒子プロ
ジェクト”（１９８１〜１９８６）では、粒子の大きさ
（径）がおよそ１〜１００ｎｍの範囲のものを“超微粒
子”（ｕｌｔｒａｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼
ぶことにした。すると１個の超微粒子はおよそ１００〜
１０⁸ 個くらいの原子の集合体という事になる。原子の
尺度でみれば超微粒子は大〜巨大粒子である。」（「超
微粒子−創造科学技術」林主税、上田良二、田崎明
編；三田出版１９８８年２ページ１〜４行目）／
「超微粒子よりさらに小さいもの、すなわち原子が数個
〜数百個で構成される１個の粒子は、ふつうクラスター
と呼ばれる」（同書２ページ１２〜１３行目）。

【００４７】上記のような一般的な呼び方をふまえて、
本明細書において「微粒子」とは多数の原子・分子の集
合体で、粒径の下限は数Å〜１ｎｍ程度、上限は数μｍ
程度のものを指すこととする。

【００４８】電子放出部５は、導電性膜４の一部に形成
された高抵抗の亀裂により構成され、下地層６に形成さ
れた凸部７のパターンに依存するものである。電子放出
部５の内部には、数Åから数十ｎｍの範囲の粒径の導電
性微粒子が存在する場合もある。この導電性微粒子は、
導電性膜４を構成する材料の元素の一部、あるいは全て
の元素を含有するものとなる。電子放出部５及びその近
傍の導電性膜４には、炭素あるいは炭素化合物を有する
場合もある。

【００４９】本発明の表面伝導型電子放出素子の製造方
法としては様々な方法があるが、その一例を図２に基づ
いて説明する。尚、図２においても図１に示した部位と
同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付してい
る。

【００５０】１）基板１を洗剤、純水及び有機溶剤等を
用いて十分に洗浄し、真空蒸着法、スパッタ法等により
素子電極材料を堆積後、例えばフォトリソグラフィー技
術を用いて基板１上に素子電極２，３を形成する（図２
（ａ））。

【００５１】２）素子電極２，３間に、磁性粒子からな
る下地層６を形成する（図２（ｂ））。

【００５２】具体的には、例えば磁性粒子を適当な分散
剤に分散させ、スプレー法、ドクターブレードによる塗
布法、インクジェット法、ピエゾジェット法、バブルジ
ェット法、あるいはディッピング法等を用いて、基板１
上に付与することで形成することができる。上記の分散
剤としては、有機溶媒、熱可塑性のビニール樹脂，ウレ
タン樹脂と有機溶媒を混合したもの、あるいは界面活性
剤を加えた純水等を用いることができるが、これに限る
ものではない。

【００５３】３）続いて、基板１上に付与された下地層
６が乾燥して固着する前に、すなわち磁性粒子の流動性
が残存している状態であるときに、外部より磁性粒子に
静磁界を加え、磁性粒子を凝集あるいは配向させて、１
ｎｍ〜１０μｍの範囲の高さを有する凸部７を形成する
（図２（ｃ））。このような凸部７を形成しておくこと
により、後述のフォーミング工程において凸部７に対応
する導電性膜４の領域に電子放出部５を選択的に形成す
ることができる。凸部７の高さが１ｎｍよりも低い場合
には、電子放出部５の位置と形状を制御することが困難
となり、１０μｍよりも高い場合には、フォーミングが
困難となり良好な電子放出部を形成することが困難であ
る。

【００５４】前記磁性粒子に静磁界を加えて凸部７を形
成する方法としては、例えば図２（ｃ）に示すように、
磁極８と対向磁極９を使用する方法がある。この方法に
おいては、磁性粒子は粒径１０ｎｍ〜３μｍの強磁性体
からなる磁性粒子であることが望ましく、具体的な材料
としては例えばγ−酸化鉄等が好適である。磁極８と対
向磁極９は磁気的に連結された電磁石であって、これら
は下地層６の幅Ｗ２より広い幅を持つ板状の電磁石であ
る。また、磁極８の基板１側の先端は、その幅ｔが０．
１μｍ〜１μｍに加工されており、基板１上の磁性粒子
との間の距離を適当な値に保たれている。この状態で磁
極８と対向磁極９の電磁石を作動させると、磁極８と対
向磁極９との間に形成される磁束により、磁性粒子に磁
極８の先端の幅ｔに相当する幅で静磁界を加えることが
でき、磁性粒子は凝集して凸部７が形成される。

【００５５】上記のように凝集して凸部７を形成する磁
性粒子の持つ磁気の影響は、磁性粒子の材料を適当に選
択することにより、後工程として酸化雰囲気下で加熱焼
成処理を施すことで、強磁性体からなる粒子を、常磁性
体からなる粒子に性質を変えることができる。例えば上
述のγ−酸化鉄は常温で強磁性体であるが、酸化雰囲気
下で４００℃以上で加熱焼成することにより、常磁性体
のα−酸化鉄になる。

【００５６】４）続いて、素子電極２，３間に有機金属
溶液を塗布して、有機金属膜を形成する。有機金属溶液
には、前述の導電性膜４の材料の金属を主元素とする有
機化合物の溶液を用いることができる。有機金属膜を加
熱焼成処理し、リフトオフ、エッチング等によりパター
ニングし、導電性膜４を形成する（図２（ｄ））。ここ
では、有機金属溶液の塗布法を挙げて説明したが、導電
性膜４の形成法はこれに限られるものではなく、真空蒸
着法、スパッタ法、化学的気相堆積法、分散塗布法、デ
ィッピング法、スピンナー法等を用いることもできる。

【００５７】５）続いて、フォーミング工程を施す。こ
のフォーミング工程の方法の一例として通電処理による
方法を説明する。素子電極２，３間に、不図示の電源よ
り通電すると、導電性膜４の部位に亀裂が発生し、電子
放出部５が形成される（図２（ｄ））。

【００５８】本発明においては、下地層６に予め凸部７
を形成しているため、この上に形成形成された導電性膜
４では、凸部７に対応する領域が、他の領域よりも薄く
なっている。そのため、上記の通電フォーミングによっ
て、凸部７に対応する導電性膜４の領域に選択的に亀裂
を形成でき、電子放出部の位置と形状を制御することが
できる。

【００５９】通電フォーミングの電圧波形の例を図４に
示す。

【００６０】電圧波形は、特にパルス波形が好ましい。
これにはパルス波高値を定電圧としたパルスを連続的に
印加する図３（ａ）に示した手法と、パルス波高値を増
加させながらパルスを印加する図３（ｂ）に示した手法
がある。

【００６１】まず、パルス波高値を定電圧とした場合に
ついて図３（ａ）で説明する。図３（ａ）におけるＴ１
及びＴ２は電圧波形のパルス幅とパルス間隔である。三
角波の波高値（通電フォーミング時のピーク電圧）は、
表面伝導型電子放出素子の形態に応じて適宜選択され
る。このような条件のもと、例えば、数秒から数十分間
電圧を印加する。パルス波形は、三角波に限定されるも
のではなく、矩形波等の所望の波形を採用することがで
きる。

【００６２】次に、パルス波高値を増加させながら電圧
パルスを印加する場合について図３（ｂ）で説明する。
図３（ｂ）におけるＴ１及びＴ２は、図３（ａ）に示し
たのと同様とすることができる。三角波の波高値（通電
フォーミング時のピーク電圧）は、例えば０．１Ｖステ
ップ程度づつ、増加させることができる。

【００６３】通電フォーミング処理の終了は、パルス間
隔Ｔ２中に、導電性膜４を局所的に破壊，変形しない程
度の電圧を印加し、電流を測定して検知することができ
る。例えば０．１Ｖ程度の電圧印加により流れる電流を
測定し、抵抗値を求めて、１ＭΩ以上の抵抗を示した
時、通電フォーミングを終了させる。

【００６４】６）フォーミングを終えた素子には活性化
工程と呼ばれる処理を施すのが好ましい。この活性化工
程により、素子電流Ｉｆ，放出電流Ｉｅを、著しく変化
させることができる。

【００６５】活性化工程は、例えば、有機物質のガスを
含有する雰囲気下で、通電フォーミングと同様に、素子
電極２，３間にパルスの印加を繰り返すことで行うこと
ができる。この雰囲気は、例えば油拡散ポンプやロータ
リーポンプなどを用いて真空容器内を排気した場合に雰
囲気内に残留する有機ガスを利用して形成することがで
きる他、イオンポンプなどにより一旦十分に排気した真
空中に適当な有機物質のガスを導入することによっても
得られる。このときの好ましい有機物質のガス圧は、前
述の素子の形態、真空容器の形状や、有機物質の種類な
どにより異なるため、場合に応じ適宜設定される。適当
な有機物質としては、アルカン、アルケン、アルキンの
脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、アルコール類、
アルデヒド類、ケトン類、アミン類、フェノール、カル
ボン、スルホン酸等の有機酸類等を挙げることが出来、
具体的には、メタン、エタン、プロパンなどＣ_n Ｈ_2n+2
で表される飽和炭化水素、エチレン、プロピレンなどＣ
_n Ｈ_2n等の組成式で表される不飽和炭化水素、ベンゼ
ン、トルエン、メタノール、エタノール、ホルムアルデ
ヒド、アセトアルデヒド、アセトン、メチルエチルケト
ン、メチルアミン、エチルアミン、フェノール、蟻酸、
酢酸、プロピオン酸等が使用できる。この処理により、
雰囲気中に存在する有機物質から、炭素あるいは炭素化
合物が素子上に堆積し、素子電流Ｉｆ，放出電流Ｉｅ
が、著しく変化するようになる。

【００６６】炭素あるいは炭素化合物とは、例えばグラ
ファイト（いわゆるＨＯＰＧ，ＰＧ，ＧＣを包含するも
ので、ＨＯＰＧはほぼ完全なグラファイト結晶構造、Ｐ
Ｇは結晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がやや乱れたも
の、ＧＣは結晶粒が２ｎｍ程度になり結晶構造の乱れが
さらに大きくなったものを指す。）、非晶質カーボン
（アモルファスカーボン及び、アモルファスカーボンと
前記グラファイトの微結晶の混合物を指す。）であり、
その膜厚は、５０ｎｍ以下の範囲とするのが好ましく、
３０ｎｍ以下の範囲とすることがより好ましい。

【００６７】活性化工程の終了判定は、素子電流Ｉｆと
放出電流Ｉｅを測定しながら、適宜行うことができる。
なお、パルス幅、パルス間隔、パルス波高値などは適宜
設定される。

【００６８】７）このような工程を経て得られた電子放
出素子は、安定化工程を行うことが好ましい。この工程
は、真空容器内の有機物質を排気する工程である。真空
容器を排気する真空排気装置は、装置から発生するオイ
ルが素子の特性に影響を与えないように、オイルを使用
しないものを用いるのが好ましい。具体的には、ソープ
ションポンプ、イオンポンプ等の真空排気装置を挙げる
ことが出来る。

【００６９】前記活性化の工程で、排気装置として油拡
散ポンプやロータリーポンプを用い、これから発生する
オイル成分に由来する有機ガスを用いた場合には、この
成分の分圧を極力低く抑える必要がある。真空容器内の
有機成分の分圧は、上記炭素あるいは炭素化合物がほぼ
新たに堆積しない分圧で１×１０^-6Ｐａ以下が好まし
く、さらには１×１０^-8Ｐａ以下が特に好ましい。さら
に真空容器内を排気するときには、真空容器全体を加熱
して、真空容器内壁や、電子放出素子に吸着した有機物
質分子を排気しやすくするのが好ましい。このときの加
熱条件は、８０〜２５０℃好ましくは１５０℃以上で、
できるだけ長時間処理するのが望ましいが、特にこの条
件に限るものではなく、真空容器の大きさや形状、電子
放出素子の構成などの諸条件により適宜選ばれる条件に
より行う。真空容器内の圧力は極力低くすることが必要
で、１×１０^-5Ｐａ以下が好ましく、さらには１×１０
^-6Ｐａ以下が特に好ましい。

【００７０】安定化工程を行った後の、駆動時の雰囲気
は、上記安定化処理終了時の雰囲気を維持するのが好ま
しいが、これに限るものではなく、有機物質が十分除去
されていれば、圧力自体は多少上昇しても十分安定な特
性を維持することが出来る。このような真空雰囲気を採
用することにより、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆
積を抑制でき、結果として素子電流Ｉｆ，放出電流Ｉｅ
が、安定する。

【００７１】上述した工程を経て得られた本発明の電子
放出素子の基本特性について、図４，図５を参照しなが
ら説明する。

【００７２】図４は、真空処理装置の一例を示す模式図
であり、この真空処理装置は測定評価装置としての機能
をも兼ね備えている。図４においても、図１に示した部
位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付し
ている。

【００７３】図４において、５５は真空容器であり、５
６は排気ポンプである。真空容器５５内には電子放出素
子が配されている。また、５１は電子放出素子に素子電
圧Ｖｆを印加するための電源、５０は素子電極２，３間
の導電性膜４を流れる素子電流Ｉｆを測定するための電
流計、５４は素子の電子放出部５より放出される放出電
流Ｉｅを捕捉するためのアノード電極、５３はアノード
電極５４に電圧を印加するための高圧電源、５２は電子
放出部５より放出される放出電流Ｉｅを測定するための
電流計である。一例として、アノード電極５４の電圧を
１ＫＶ〜１０ＫＶの範囲とし、アノード電極５４と電子
放出素子との距離Ｈを２〜８ｍｍの範囲として測定を行
うことができる。

【００７４】真空容器５５内には、不図示の真空計等の
真空雰囲気下での測定に必要な機器が設けられていて、
所望の真空雰囲気下での測定評価を行えるようになって
いる。

【００７５】排気ポンプ５６は、ターボポンプ、ロータ
リーポンプ等からなる通常の高真空装置系と、イオンポ
ンプ等からなる超高真空装置系とにより構成されてい
る。ここに示した電子放出素子基板を配した真空処理装
置の全体は、不図示のヒーターにより２５０℃まで加熱
できる。従って、この真空処理装置を用いると、前述の
通電フォーミング以降の工程も行うことができる。

【００７６】図５は、図４に示した真空処理装置を用い
て測定された放出電流Ｉｅ及び素子電流Ｉｆと、素子電
圧Ｖｆとの関係を模式的に示した図である。図５におい
ては、放出電流Ｉｅが素子電流Ｉｆに比べて著しく小さ
いので、任意単位で示している。尚、縦・横軸ともリニ
アスケールである。

【００７７】図５からも明らかなように、本発明を適用
可能な表面伝導型電子放出素子は、放出電流Ｉｅに関し
て次の３つの特徴的性質を有する。

【００７８】即ち、第１に、本素子はある電圧（閾値電
圧と呼ぶ；図５中のＶｔｈ）以上の素子電圧を印加する
と急激に放出電流Ｉｅが増加し、一方閾値電圧Ｖｔｈ以
下では放出電流Ｉｅが殆ど検出されない。つまり、放出
電流Ｉｅに対する明確な閾値電圧Ｖｔｈを持った非線形
素子である。

【００７９】第２に、放出電流Ｉｅが素子電圧Ｖｆに単
調増加依存するため、放出電流Ｉｅは素子電圧Ｖｆで制
御できる。

【００８０】第３に、アノード電極５４（図４参照）に
捕捉される放出電荷は、素子電圧Ｖｆを印加する時間に
依存する。つまり、アノード電極５４に捕捉される電荷
量は、素子電圧Ｖｆを印加する時間により制御できる。

【００８１】以上の説明より理解されるように、本発明
を適用可能な表面伝導型電子放出素子は、入力信号に応
じて、電子放出特性を容易に制御できることになる。こ
の性質を利用すると複数の電子放出素子を配して構成し
た電子源、画像形成装置等、多方面への応用が可能とな
る。

【００８２】図５においては、素子電流Ｉｆが素子電圧
Ｖｆに対して単調増加する（以下、「ＭＩ特性」とい
う。）例を示したが、素子電流Ｉｆが素子電圧Ｖｆに対
して電圧制御型負性抵抗特性（ＶＣＮＲ特性）を示す場
合もある（不図示）。これらの特性は、前述の工程を制
御することで制御できる。

【００８３】本発明を適用可能な電子放出素子の応用例
について以下に述べる。本発明を適用可能な表面伝導型
電子放出素子を複数個基板上に配列し、例えば電子源あ
るいは、画像形成装置が構成できる。

【００８４】電子放出素子の配列については、種々のも
のが採用できる。一例として、並列に配置した多数の電
子放出素子の個々を両端で接続し、電子放出素子の行を
多数個配し（行方向と呼ぶ）、この配線と直交する方向
（列方向と呼ぶ）で、該電子放出素子の上方に配した制
御電極（グリッドとも呼ぶ）により、電子放出素子から
の電子を制御駆動する梯子状配置のものがある。これと
は別に、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複
数個配し、同じ行に配された複数の電子放出素子の電極
の一方を、Ｘ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配さ
れた複数の電子放出素子の電極の他方を、Ｙ方向の配線
に共通に接続するものが挙げられる。このようなものは
所謂単純マトリクス配置である。まず単純マトリクス配
置について以下に詳述する。

【００８５】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素
子については、前述した通り３つの特性がある。即ち、
表面伝導型電子放出素子からの放出電子は、閾値電圧以
上では、対向する素子電極間に印加するパルス状電圧の
波高値と幅で制御できる。一方、閾値電圧以下では、殆
ど放出されない。この特性によれば、多数の電子放出素
子を配置した場合においても、個々の素子にパルス状電
圧を適宜印加すれば、入力信号に応じて、表面伝導型電
子放出素子を選択して電子放出量を制御できる。

【００８６】以下この原理に基づき、本発明を適用可能
な電子放出素子を複数配して得られる電子源基板につい
て、図６を用いて説明する。図６において、７１は電子
源基板、７２はＸ方向配線、７３はＹ方向配線である。
７４は表面伝導型電子放出素子、７５は結線である。

【００８７】ｍ本のＸ方向配線７２は、Ｄｘ１，Ｄｘ
２，……，Ｄｘｍからなり、真空蒸着法、印刷法、スパ
ッタ法等を用いて形成された導電性金属等で構成するこ
とができる。配線の材料、膜厚、幅は適宜設計される。
Ｙ方向配線７３は、Ｄｙ１，Ｄｙ２，……，Ｄｙｎのｎ
本の配線よりなり、Ｘ方向配線７２と同様に形成され
る。これらｍ本のＸ方向配線７２とｎ本のＹ方向配線７
３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、
両者を電気的に分離している（ｍ，ｎは、共に正の整
数）。

【００８８】不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷
法、スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ₂ 等で構成
される。例えば、Ｘ方向配線７２を形成した基板７１の
全面或は一部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ方向配
線７２とＹ方向配線７３の交差部の電位差に耐え得るよ
うに、膜厚、材料、製法が適宜設定される。Ｘ方向配線
７２とＹ方向配線７３は、それぞれ外部端子として引き
出されている。

【００８９】表面伝導型電子放出素子７４を構成する一
対の素子電極（不図示）は、それぞれｍ本のＸ方向配線
７２とｎ本のＹ方向配線７３に、導電性金属等からなる
結線７５によって電気的に接続されている。

【００９０】配線７２と配線７３を構成する材料、結線
７５を構成する材料及び一対の素子電極を構成する材料
は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であって
も、また夫々異なってもよい。これらの材料は、例えば
前述の素子電極の材料より適宜選択される。素子電極を
構成する材料と配線材料が同一である場合には、素子電
極に接続した配線は素子電極ということもできる。

【００９１】Ｘ方向配線７２には、Ｘ方向に配列した表
面伝導型電子放出素子７４の行を選択するための走査信
号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続される。
一方、Ｙ方向配線７３には、Ｙ方向に配列した表面伝導
型電子放出素子７４の各列を入力信号に応じて変調する
ための、不図示の変調信号発生手段が接続される。各電
子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印加さ
れる走査信号と変調信号の差電圧として供給される。

【００９２】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。

【００９３】このような単純マトリクス配置の電子源を
用いて構成した画像形成装置について、図７と図８及び
図９を用いて説明する。図７は、画像形成装置の表示パ
ネルの一例を示す模式図であり、図８は、図７の画像形
成装置に使用される蛍光膜の模式図である。図９は、Ｎ
ＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行うための駆動
回路の一例を示すブロック図である。

【００９４】図７において、７１は電子放出素子を複数
配した電子源基板、８１は電子源基板７１を固定したリ
アプレート、８６はガラス基板８３の内面に蛍光膜８４
とメタルバック８５等が形成されたフェースプレートで
ある。８２は支持枠であり、該支持枠８２には、リアプ
レート８１、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。８８は外囲器であり、例えば
大気中あるいは窒素中で、４００〜５００℃の温度範囲
で１０分間以上焼成することで、封着して構成される。

【００９５】７４は、図１に示したような電子放出素子
である。７２，７３は、表面伝導型電子放出素子の一対
の素子電極と接続されたＸ方向配線及びＹ方向配線あ
る。

【００９６】外囲器８８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。リアプレート８１は主に基板７１の強度を補強する
目的で設けられるため、基板７１自体で十分な強度を持
つ場合は別体のリアプレート８１は不要とすることがで
きる。即ち、基板７１に直接支持枠８２を封着し、フェ
ースプレート８６、支持枠８２及び基板７１で外囲器８
８を構成してもよい。一方、フェースプレート８６とリ
アプレート８１の間に、スぺーサーと呼ばれる不図示の
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８８を構成することもできる。

【００９７】図８は、蛍光膜を示す模式図である。蛍光
膜８４は、モノクロームの場合は蛍光体のみで構成する
ことができる。カラーの蛍光膜の場合は、蛍光体の配列
により、ブラックストライプ（図８（ａ））あるいはブ
ラックマトリクス（図８（ｂ））等と呼ばれる黒色導電
材９１と蛍光体９２とから構成することができる。ブラ
ックストライプ、ブラックマトリクスを設ける目的は、
カラー表示の場合、必要となる三原色蛍光体の各蛍光体
９２間の塗り分け部を黒くすることで混色等を目立たな
くすることと、蛍光膜８４における外光反射によるコン
トラストの低下を抑制することにある。黒色導電材９１
の材料としては、通常用いられている黒鉛を主成分とす
る材料の他、導電性があり、光の透過及び反射が少ない
材料を用いることができる。

【００９８】ガラス基板８３に蛍光体を塗布する方法
は、モノクローム、カラーによらず、沈澱法や印刷法等
が採用できる。蛍光膜８４の内面側には、通常メタルバ
ック８５が設けられる。メタルバックを設ける目的は、
蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート８
６側へ鏡面反射することにより輝度を向上させること、
電子ビーム加速電圧を印加するための電極として作用さ
せること、外囲器内で発生した負イオンの衝突によるダ
メージから蛍光体を保護すること等である。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製でき
る。

【００９９】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）を設けてもよい。

【０１００】前述の封着を行う際、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。

【０１０１】図７に示した画像形成装置は、例えば以下
のようにして製造される。

【０１０２】外囲器８８内は、前述の安定化工程と同様
に、適宜加熱しながら、イオンポンプ、ソープションポ
ンプ等のオイルを使用しない排気装置により不図示の排
気管を通じて排気し、１０^-5Ｐａ程度の真空度の有機物
質の十分に少ない雰囲気にした後、封止が成される。外
囲器８８の封止後の真空度を維持するために、ゲッター
処理を行うこともできる。これは、外囲器８８の封止を
行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱あるいは高周波加
熱等を用いた加熱により、外囲器８８内の所定の位置に
配置されたゲッター（不図示）を加熱し、蒸着膜を形成
する処理である。ゲッターは通常Ｂａ等が主成分であ
り、該蒸着膜の吸着作用により、例えば１×１０^-5Ｐａ
以上の真空度を維持するものである。ここで、表面伝導
型電子放出素子のフォーミング処理以降の工程は、適宜
設定できる。

【０１０３】次に、単純マトリクス配置の電子源を用い
て構成した表示パネルに、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
基づいたテレビジョン表示を行う為の駆動回路の構成例
について、図９を用いて説明する。図９において、１０
１は画像表示パネル、１０２は走査回路、１０３は制御
回路、１０４はシフトレジスタ、１０５はラインメモ
リ、１０６は同期信号分離回路、１０７は変調信号発生
器、Ｖｘ及びＶａは直流電圧源である。

【０１０４】表示パネル１０１は、端子Ｄｘ１乃至Ｄｘ
ｍ、端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎ及び高圧端子８７を介して外
部の電気回路と接続している。端子Ｄｘ１乃至Ｄｘｍに
は、表示パネル１０１内に設けられている電子源、即
ち、ｍ行ｎ列の行列状にマトリクス配線された表面伝導
型電子放出素子群を１行（ｎ素子）づつ順次駆動する為
の走査信号が印加される。端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎには、
前記走査信号により選択された１行の表面伝導型電子放
出素子の各素子の出力電子ビームを制御する為の変調信
号が印加される。高圧端子８７には、直流電圧源Ｖａよ
り、例えば１０Ｋ［Ｖ］の直流電圧が供給されるが、こ
れは表面伝導型電子放出素子から放出される電子ビーム
に、蛍光体を励起するのに十分なエネルギーを付与する
為の加速電圧である。

【０１０５】走査回路１０２について説明する。同回路
は、内部にｍ個のスイッチング素子（図中、Ｓ１乃至Ｓ
ｍで模式的に示している）を備えたものである。各スイ
ッチング素子は、直流電圧電源Ｖｘの出力電圧もしくは
０［Ｖ］（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、
表示パネル１０１の端子Ｄｘ１乃至Ｄｘｍと電気的に接
続される。各スイッチング素子Ｓ１乃至Ｓｍは、制御回
路１０３が出力する制御信号Ｔｓｃａｎに基づいて動作
するものであり、例えばＦＥＴのようなスイッチング素
子を組み合わせることにより構成することができる。

【０１０６】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には表面伝
導型電子放出素子の特性（電子放出閾値電圧）に基づ
き、走査されていない素子に印加される駆動電圧が電子
放出閾値電圧以下となるような一定電圧を出力するよう
設定されている。

【０１０７】制御回路１０３は、外部より入力される画
像信号に基づいて適切な表示が行われるように、各部の
動作を整合させる機能を有する。制御回路１０３は、同
期信号分離回路１０６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃ
に基づいて、各部に対してＴｓｃａｎ，Ｔｓｆｔ及びＴ
ｍｒｙの各制御信号を発生する。

【０１０８】同期信号分離回路１０６は、外部から入力
されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号から、同期信号成分と
輝度信号成分とを分離するための回路で、一般的な周波
数分離（フィルター）回路等を用いて構成できる。同期
信号分離回路１０６により分離された同期信号は、垂直
同期信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便
宜上Ｔｓｙｎｃ信号として図示した。前記テレビ信号か
ら分離された画像の輝度信号成分は、便宜上ＤＡＴＡ信
号と表した。このＤＡＴＡ信号は、シフトレジスタ１０
４に入力される。

【０１０９】シフトレジスタ１０４は、時系列的にシリ
アルに入力される前記ＤＡＴＡ信号を、画像の１ライン
毎にシリアル／パラレル変換するためのもので、前記制
御回路１０３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づいて
動作する（即ち、制御信号Ｔｓｆｔは、シフトレジスタ
１０４のシフトクロックであると言い換えてもよ
い。）。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分
のデータ（電子放出素子ｎ素子分の駆動データに相当）
は、Ｉｄ１乃至Ｉｄｎのｎ個の並列信号として前記シフ
トレジスタ１０４より出力される。

【０１１０】ラインメモリ１０５は、画像１ライン分の
データを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であ
り、制御回路１０３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従
って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶され
た内容は、Ｉｄ’１乃至Ｉｄ’ｎとして出力され、変調
信号発生器１０７に入力される。

【０１１１】変調信号発生器１０７は、画像データＩ
ｄ’１乃至Ｉｄ’ｎの各々に応じて、表面伝導型電子放
出素子の各々を適切に駆動変調する為の信号源であり、
その出力信号は、端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎを通じて表示パ
ネル１０１内の表面伝導型電子放出素子に印加される。

【０１１２】前述したように、本発明を適用可能な電子
放出素子は放出電流Ｉｅに関して以下の基本特性を有し
ている。即ち、電子放出には明確な閾値電圧Ｖｔｈがあ
り、Ｖｔｈ以上の電圧が印加された時のみ電子放出が生
じる。電子放出閾値以上の電圧に対しては、素子への印
加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。このことか
ら、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、例えば電
子放出閾値電圧以下の電圧を印加しても電子放出は生じ
ないが、電子放出閾値電圧以上の電圧を印加する場合に
は電子ビームが出力される。その際、パルスの波高値Ｖ
ｍを変化させることにより、出力電子ビームの強度を制
御することが可能である。また、パルスの幅Ｐｗを変化
させることにより、出力される電子ビームの電荷の総量
を制御することが可能である。

【０１１３】従って、入力信号に応じて電子放出素子を
変調する方式としては、電圧変調方式とパルス幅変調方
式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際して
は、変調信号発生器１０７としては、一定長さの電圧パ
ルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パル
スの波高値を変調できるような電圧変調方式の回路を用
いることができる。パルス幅変調方式を実施するに際し
ては、変調信号発生器１０７として、一定の波高値の電
圧パルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧
パルスの幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を
用いることができる。

【０１１４】シフトレジスタ１０４やラインメモリ１０
５は、デジタル信号式のものでもアナログ信号式のもの
でも採用できる。画像信号のシリアル／パラレル変換や
記憶が所定の速度で行なわれれば良いからである。

【０１１５】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１０６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号化
する必要があるが、これには同期信号分離回路１０６の
出力部にＡ／Ｄ変換器を設ければ良い。これに関連して
ラインメモリ１０５の出力信号がデジタル信号かアナロ
グ信号かにより、変調信号発生器１０７に用いられる回
路が若干異なったものとなる。即ち、デジタル信号を用
いた電圧変調方式の場合、変調信号発生器１０７には、
例えばＤ／Ａ変換回路を用い、必要に応じて増幅回路等
を付加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器
１０７には、例えば高速の発振器及び発振器の出力する
波数を計数する計数器（カウンタ）及び計数器の出力値
と前記メモリの出力値を比較する比較器（コンパレー
タ）を組み合わせた回路を用いる。必要に応じて、比較
器の出力するパルス幅変調された変調信号を表面伝導型
電子放出素子の駆動電圧にまで電圧増幅するための増幅
器を付加することもできる。

【０１１６】アナログ信号を用いた電圧変調方式の場
合、変調信号発生器１０７には、例えばオペアンプ等を
用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフト
回路等を付加することもできる。パルス幅変調方式の場
合には、例えば電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を採用で
き、必要に応じて表面伝導型電子放出素子の駆動電圧に
まで電圧増幅するための増幅器を付加することもでき
る。

【０１１７】このような構成をとり得る本発明を適用可
能な画像形成装置においては、各電子放出素子に、容器
外端子Ｄｘ１乃至Ｄｘｍ、Ｄｙ１乃至Ｄｙｎを介して電
圧を印加することにより、電子放出が生じる。高圧端子
８７を介してメタルバック８５あるいは透明電極（不図
示）に高圧を印加し、電子ビームを加速する。加速され
た電子は、蛍光膜８４に衝突し、発光が生じて画像が形
成される。

【０１１８】ここで述べた画像形成装置の構成は、本発
明を適用可能な画像形成装置の一例であり、本発明の技
術思想に基づいて種々の変形が可能である。入力信号に
ついてはＮＴＳＣ方式を挙げたが、入力信号はこれに限
られるものではなく、ＰＡＬ、ＳＥＣＡＭ方式等の他、
これらよりも多数の走査線からなるＴＶ信号（例えば、
ＭＵＳＥ方式をはじめとする高品位ＴＶ）方式をも採用
できる。

【０１１９】次に、前述の梯子型配置の電子源及び画像
形成装置について、図１０及び図１１を用いて説明す
る。

【０１２０】図１０は、梯子型配置の電子源の一例を示
す模式図である。図１０において、１１０は電子源基
板、１１１は電子放出素子である。１１２は、電子放出
素子１１１を接続するための共通配線Ｄ１〜Ｄ１０であ
り、これらは外部端子として引き出されている。電子放
出素子１１１は、基板１１０上に、Ｘ方向に並列に複数
個配置されている（これを素子行と呼ぶ）。この素子行
が複数個配置されて、電子源を構成している。各素子行
の共通配線間に駆動電圧を印加することで、各素子行を
独立に駆動させることができる。即ち、電子ビームを放
出させたい素子行には、電子放出閾値以上の電圧を印加
し、電子ビームを放出させたくない素子行には、電子放
出閾値以下の電圧を印加する。各素子行間に位置する共
通配線Ｄ２〜Ｄ９は、例えばＤ２とＤ３，Ｄ４とＤ５，
Ｄ６とＤ７，Ｄ８とＤ９を夫々一体の同一配線とするこ
ともできる。

【０１２１】図１１は、梯子型配置の電子源を備えた画
像形成装置におけるパネル構造の一例を示す模式図であ
る。１２０はグリッド電極、１２１は電子が通過するた
めの開口、Ｄ１乃至Ｄｍは容器外端子、Ｇ１乃至Ｇｎは
グリッド電極１２０と接続された容器外端子である。１
１０は各素子行間の共通配線を同一配線とした電子源基
板である。図１１においては、図７、図１０に示した部
位と同じ部位には、これらの図に付したのと同一の符号
を付している。ここに示した画像形成装置と、図７に示
した単純マトリクス配置の画像形成装置との大きな違い
は、電子源基板１１０とフェースプレート８６の間にグ
リッド電極１２０を備えているか否かである。

【０１２２】図１１においては、基板１１０とフェース
プレート８６の間には、グリッド電極１２０が設けられ
ている。グリッド電極１２０は、表面伝導型電子放出素
子１１１から放出された電子ビームを変調するためのも
のであり、梯子型配置の素子行と直交して設けられたス
トライプ状の電極に電子ビームを通過させるため、各素
子に対応して１個ずつ円形の開口１２１が設けられてい
る。グリッド電極の形状や配置位置は、図１１に示した
ものに限定されるものではない。例えば、開口としてメ
ッシュ状に多数の通過口を設けることもでき、グリッド
電極を表面伝導型電子放出素子の周囲や近傍に設けるこ
ともできる。

【０１２３】容器外端子Ｄ１乃至Ｄｍ及びグリッド容器
外端子Ｇ１乃至Ｇｎは、不図示の制御回路と電気的に接
続されている。

【０１２４】本例の画像形成装置では、素子行を１列ず
つ順次駆動（走査）して行くのと同期してグリッド電極
列に画像１ライン分の変調信号を同時に印加する。これ
により、各電子ビームの蛍光体への照射を制御し、画像
を１ラインずつ表示することができる。

【０１２５】以上説明した本発明の画像形成装置は、テ
レビジョン放送の表示装置、テレビ会議システムやコン
ピューター等の表示装置の他、感光性ドラム等を用いて
構成された光プリンターとしての画像形成装置等として
も用いることができる。

【０１２６】

【実施例】以下に、具体的な実施例を挙げて本発明を説
明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものでは
なく、本発明の目的が達成される範囲内での各要素の置
換や設計変更がなされたものをも包含する。

【０１２７】［実施例１］本実施例に係る電子放出素子
の構成は、図１と同様である。図１において、１は基
板、２と３は素子電極、４は導電性膜、５は電子放出
部、６は磁性粒子からなる下地層、７は下地層６に形成
された凸部である。

【０１２８】本実施例に係る電子放出素子の製造法は、
基本的には図２と同様であり、以下、図１及び図２を用
いて、本実施例に係る素子の構成及び製造法を順を追っ
て説明する。

【０１２９】（１）基板１として石英ガラス基板を用
い、これを有機溶剤によって十分に洗浄後、該基板１上
に、Ｐｔからなる素子電極２，３を形成した（図２
（ａ））。このとき、素子電極間隔Ｌは３μｍとし、素
子電極の幅Ｗ１を５００μｍ、その膜厚ｄを１００ｎｍ
とした。

【０１３０】（２）次に、素子電極２，３間に、界面活
性剤を添加した純水に分散した粒径５ｎｍのγ−酸化鉄
をインクジェット法で塗布し、下地層６を形成した（図
２（ｂ））。

【０１３１】（３）次に、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ（センダス
ト系合金）の先端の幅ｔを０．３μｍに加工した幅６０
０μｍの磁極８を下地層６に近接させ、同じく幅６００
μｍの対向磁極９を基板１の裏側に近接させて、電磁石
を作動させ、γ−酸化鉄からなる磁性粒子を凝集させて
高さ２００ｎｍの凸部７を形成した（図２（ｃ））。続
いて、酸化雰囲気下で４５０℃で加熱焼成した。これに
より、γ−酸化鉄からなる磁性粒子はα−酸化鉄にな
り、後工程における磁気の影響を除くことができる。

【０１３２】（４）次に、基板１上に有機パラジウム
（ｃｃｐ−４２３０；奥野製薬（株）製）含有溶液を塗
布した後、３００℃で１０分間の加熱処理をして、酸化
パラジウム（ＰｄＯ）微粒子（平均粒径：７ｎｍ）から
なる導電性膜４を形成した。ここで導電性膜４は、その
幅Ｗ２を３００μｍとし、素子電極２，３のほぼ中央に
配置した（図２（ｄ））。また、この導電性膜４の膜厚
は１０ｎｍ程度、抵抗値Ｒｓは５×１０⁴ Ω／□程度で
あった。

【０１３３】次に、図３（ａ）に示すようなパルス電圧
を素子電極２，３間に印加して、通電処理（フォーミン
グ処理）を施すと、下地層６の凸部７に対応する導電性
膜４の領域から微粒子膜の構造変化が起こり、当該領域
に亀裂からなる電子放出部５が形成された（図２
（ｄ））。この電子放出部５は、凸部７の位置及び形状
をそのまま転写したように直線的且つ連続的な亀裂であ
り、その長さは導電性膜４の幅Ｗ２と同じ３００μｍで
あった。

【０１３４】なお、本実施例では、図３（ａ）中、パル
ス幅Ｔ１を１ｍ秒、パルス間隔Ｔ２を１０ｍ秒とし、三
角波の波高値（フォーミング時のピーク電圧）は５Ｖと
し、フォーミング処理は約１×１０^-4Ｐａの真空雰囲気
下で６０秒間行った。

【０１３５】このようにして作成された電子放出部５
は、パラジウム元素を主成分とする微粒子が分散配置さ
れた状態となり、その微粒子の平均粒径は約３ｎｍであ
った。

【０１３６】次に、上記素子を図４の真空処理装置の真
空容器５５内に設置し、ロータリーポンプ５６にて排気
し、真空容器５５内を適当な真空度とした後、電源５１
より素子電極２，３間に電圧を印加して活性化処理を行
った。活性化処理に用いた電圧波形は図３（ａ）に示し
たものである。

【０１３７】本実施例の活性化処理では、電圧波形のパ
ルス幅Ｔ１を１ｍ秒、パルス間隔Ｔ２を１０ｍ秒とし、
三角波の波高値（活性化時のピーク電圧）は１６Ｖと
し、１時間行った。

【０１３８】その後、排気ポンプをイオンポンプを用い
た超真空排気装置に切り換え、真空容器５５内の真空度
を約１×１０^-4Ｐａとした後、電子放出特性を評価し
た。

【０１３９】本実施例では、アノード電極５４と電子放
出素子間の距離Ｈを５ｍｍ、アノード電極の電位を１Ｋ
Ｖとし、素子電極２，３間に素子電圧を印加し、その時
に流れる素子電流Ｉｆ及び放出電流Ｉｅを測定したとこ
ろ、図５に示したような電圧−電流特性が得られた。本
素子では、素子電圧８Ｖ程度から急激に放出電流Ｉｅが
増大し、素子電圧１６Ｖでは素子電流Ｉｆが２．２ｍ
Ａ、放出電流Ｉｅが１．１μＡとなり、電子放出効率η
＝Ｉｅ／Ｉｆ（％）は０．０５％であった。

【０１４０】また、同様な測定を同時に作成した５００
個の素子について行ったが、素子電圧を１６Ｖに保った
ときのＩｆ及びＩｅの値は、いずれの素子も±０．１％
以内に入っていることが確認された。［比較例１］実施例１において、凸部７を有する下地層
６を形成しなかった以外は、実施例１と全く同様にして
電子放出素子を作成した。

【０１４１】同時に作成した５００個の素子について、
実施例１と同様に素子特性を評価した。その結果、素子
電圧を１６Ｖに保ったときの素子電流Ｉｆは０．８〜
２．４ｍＡ、放出電流Ｉｅは３〜１２μＡの範囲で大き
くばらついていた。

【０１４２】［実施例２］本実施例は、多数の表面伝導
型電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源を用い
て、画像形成装置を作製した例である。

【０１４３】複数の導電性膜がマトリクス配線された基
板の一部の平面図を図１２に示す。また、図中のＡ−
Ａ’断面図を図１３に示す。但し、図１２、図１３で同
じ符号で示したものは、同じ部材を示す。ここで７１は
電子源基板、７２は図６のＤｘｍに対応するＸ方向配線
（下配線とも呼ぶ）、７３は図６のＤｙｎに対応するＹ
方向配線（上配線とも呼ぶ）、２と３は素子電極、４は
導電性膜、６は下地層、７は凸部、１３１は層間絶縁
層、１３２は素子電極２と下配線７２との電気的接続の
ためのコンタクトホールである。

【０１４４】本実施例の電子源の製造方法は、下配線７
２、層間絶縁層１３１、上配線７３の作製工程を除き、
基本的には実施例１の素子の製造方法における素子電極
２，３、下地層６、導電性膜４等の作製パターンを拡張
して行うことができるため、その説明はここでは省略す
る。

【０１４５】次に、上記の複数の導電性膜４がマトリク
ス配線された電子源基板７１（図１２）を用いて画像形
成装置を作製した。作製手順を図７と図８を用いて説明
する。

【０１４６】先ず、上記複数の導電性膜がマトリクス配
線された電子源基板７１（図１２）をリアプレート８１
上に固定した後、電子源基板７１の５ｍｍ上方に、フェ
ースプレート８６（ガラス基板８３の内面に蛍光膜８４
とメタルバック８５が形成されて構成される）を支持枠
８２を介して配置し、フェースプレート８６、支持枠８
２、リアプレート８１の接合部にフリットガラスを塗布
し、大気中で４３０℃で１０分以上焼成することで封着
した（図７）。なお、リアプレート８１への電子源基板
７１の固定もフリットガラスで行った。

【０１４７】蛍光膜８４は、カラーを実現するために、
ストライプ形状（図８（ａ）参照）の蛍光体とし、先に
ブラックストライプを形成し、その間隙部にスラリー法
により各色蛍光体９２を塗布して蛍光膜８４を作製し
た。ブラックストライプの材料としては、黒鉛を主成分
とする材料を用いた。

【０１４８】また、蛍光膜８４の内面側にはメタルバッ
ク８５を設けた。メタルバック８５は、蛍光膜８４の作
製後、蛍光膜８４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
着することで作製した。

【０１４９】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
極を設ける場合もあるが、本実施例ではメタルバック８
５のみで十分な導電性が得られたので省略した。

【０１５０】以上のようにして完成した外囲器８８内の
雰囲気を排気管（不図示）を通じロータリーポンプにて
排気し、十分な真空度に達した後、容器外端子Ｄｘ１乃
至ＤｘｍとＤｙ１乃至Ｄｙｎを通じ素子電極２，３間に
実施例１と同様のパルス電圧を印加し、フォーミング処
理と活性化処理を行った。

【０１５１】その後、不図示の排気管を通じ、外囲器８
８内を約１×１０^-4Ｐａ程度の真空度まで排気し、該排
気管をガスバーナーで熱することで融着し、外囲器８８
の封止を行った。最後に、封止後の真空度を維持するた
めに、高周波加熱法でゲッター処理を行った。

【０１５２】以上のようにして作製した表示パネルの容
器外端子Ｄｘ１乃至ＤｘｍとＤｙ１乃至Ｄｙｎ、及び高
圧端子８７を夫々必要な駆動系に接続し、画像形成装置
を完成した。各電子放出素子に、容器外端子Ｄｘ１乃至
ＤｘｍとＤｙ１乃至Ｄｙｎを通じて、走査信号及び変調
信号を不図示の信号発生手段より夫々印加することによ
り電子放出させ、高圧端子８７を通じてメタルバック８
５に数ＫＶ以上の高圧を印加して、電子ビームを加速
し、蛍光膜８４に衝突させ、励起・発光させることで画
像を表示した。

【０１５３】本実施例における画像形成装置は、高輝度
で均一な画像を安定して表示することができた。

【０１５４】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、電
子放出素子の電子放出部の位置及び形状を、各素子間で
一定にすることができるので、均一な素子特性を持った
素子が得られる。

【０１５５】また、多数の電子放出素子を配列形成し、
入力信号に応じて電子を放出する電子源においては、各
電子放出素子の電子放出特性の均一化が実現され、かか
る電子源を用いた画像形成装置においては、輝度むら・
輝度低下等の画像品位の低下の問題も解消され、高品位
な画像形成装置、例えばカラーフラットテレビが実現さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子放出素子の一例である表面伝導型
電子放出素子を模式的に示した平面図及び縦断面図であ
る。

【図２】図１の表面伝導型電子放出素子の製造方法の一
例を説明するための図である。

【図３】フォーミング処理に用いる電圧波形の一例であ
る。

【図４】本発明の電子放出素子の製造に用いることので
きる真空処理装置（測定評価装置）の一例を示す概略構
成図である。

【図５】本発明に好適な表面伝導型電子放出素子の放出
電流Ｉｅおよび素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの関係の典
型的な例を示す図である。

【図６】単純マトリクス配置の本発明の電子源の概略構
成図である。

【図７】単純マトリクス配置の電子源を用いた本発明の
画像形成装置に用いる表示パネルの概略構成図である

【図８】図７の表示パネルにおける蛍光膜を示す図であ
る。

【図９】図７の表示パネルを駆動する駆動回路の一例を
示す図である。

【図１０】梯子型配置の本発明の電子源の概略平面図で
ある。

【図１１】梯子型配置の電子源を用いた本発明の画像形
成装置に用いる表示パネルの概略構成図である。

【図１２】実施例２にて示す単純マトリクス配置の電子
源基板の部分平面図である。

【図１３】図１２の電子源基板の部分断面図である。

【図１４】従来例の表面伝導型電子放出素子の平面図で
ある。

【符号の説明】

１基板２，３素子電極４導電性膜５電子放出部６磁性粒子からなる下地層７凸部８磁極９対向磁極５０導電性膜４を流れる素子電流Ｉｆを測定するため
の電流計５１電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電
源５２電子放出部５より放出される放出電流Ｉｅを測定
するための電流計５３アノード電極５４に電圧を印加するための高圧電
源５４電子放出部５より放出される電子を捕捉するため
のアノード電極５５真空容器５６排気ポンプ７１電子源基板７２Ｘ方向配線７３Ｙ方向配線７４表面伝導型電子放出素子７５結線８１リアプレート８２支持枠８３ガラス基板８４蛍光膜８５メタルバック８６フェースプレート８７高圧端子８８外囲器９１黒色導電材９２蛍光体１０１表示パネル１０２走査回路１０３制御回路１０４シフトレジスタ１０５ラインメモリ１０６同期信号分離回路１０７変調信号発生器１１０電子源基板１１１電子放出素子１１２電子放出素子を配線するための共通配線１２０グリッド電極１２１電子が通過するための開口１３１層間絶縁層１３２コンタクトホール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する電極間に、高さ１ｎｍ〜１０μ
ｍの範囲の凸部を有する磁性粒子からなる下地層を備
え、該下地層上に前記電極間を連絡する導電性膜を有
し、前記凸部に対応する前記導電性膜の領域に電子放出
部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２】前記電子放出素子が、表面伝導型電子放
出素子であ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】対向する電極間に、電子放出部を有する
導電性膜を備える電子放出素子の製造方法において、少なくとも、電極間に磁性粒子からなる下地層を形成す
る工程と、該下地層に高さ１ｎｍ〜１０μｍの範囲の凸
部を形成する工程と、該凸部を有する下地層上に導電性
膜を形成する工程と、該導電性膜に電子放出部を形成す
るフォーミング工程とを含むことを特徴とする電子放出
素子の製造方法。
【請求項４】前記磁性粒子からなる下地層に凸部を形
成する工程が、静磁界による磁性粒子の凝集を伴うもの
であることを特徴とする請求項３に記載の電子放出素子
の製造方法。
【請求項５】前記磁性粒子が強磁性体からなる粒子で
あって、該強磁性体からなる粒子からなる下地層に凸部
を形成する工程に続いて、更に酸化雰囲気下で加熱焼成
することで該粒子を常磁性体からなる粒子とする工程を
含むことを特徴とする請求項３に記載の電子放出素子の
製造方法。
【請求項６】基体上に、複数の電子放出素子が配列さ
れた電子源において、前記電子放出素子が、請求項１ま
たは２に記載の電子放出素子であることを特徴とする電
子源。
【請求項７】前記複数の電子放出素子が、マトリクス
状に配線されていることを特徴とする請求項６に記載の
電子源。
【請求項８】前記複数の電子放出素子が、梯子状に配
線されていることを特徴とする請求項６に記載の電子
源。
【請求項９】基体上に、複数の電子放出素子が配列さ
れた電子源の製造方法において、前記電子放出素子が、
請求項３〜５のいずれかに記載の方法にて製造されるこ
とを特徴とする電子源の製造方法。
【請求項１０】基体上に、複数の電子放出素子が配列
された電子源と、該電子源から放出される電子線の照射
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
装置において、前記電子源が、請求項６〜８のいずれか
に記載の電子源であることを特徴とする画像形成装置。
【請求項１１】基体上に、複数の電子放出素子が配列
された電子源と、該電子源から放出される電子線の照射
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
装置の製造方法において、前記電子源が、請求項９に記
載の方法にて製造されることを特徴とする画像形成装置
の製造方法。