以下、本発明の電子放出素子の実施形態� ��ついて、図1~17を参照しながら具体的に説明 する。なお、以下に記述する実施の形態およ び実施例は本発明の具体的な一例に過ぎず、 本発明はこれらよって限定されるものではな い。

 〔実施の形態1〕
 図1は、本発明の電子放出素子の一実施形態 の構成を示す模式図である。図1に示すよう� �、本実施形態の電子放出素子1は、下部電極� ��なる基板(電極基板)2と、上部電極(薄膜電極 )3と、その間に挟まれて存在する電子加速層4 とからなる。また、基板2と上部電極3とは電� ��7に繋がっており、互いに対向して配置され た基板2と上部電極3との間に電圧を印加でき� ��ようになっている。電子放出素子1は、基板 2と上部電極3との間に電圧を印加することで� ��基板2と上部電極3との間、つまり、電子加� �層4に電流を流し、その一部を印加電圧の形� ��する強電界により弾道電子として、上部電� ��3を透過あるいは上部電極3の隙間から放出� �せる。なお、電子放出素子1と電源7とから電 子放出装置が成る。

 下部電極となる基板2は、電子放出素子の 支持体の役割を担う。そのため、ある程度の 強度を有し、直に接する物質との接着性が良 好で、適度な導電性を有するものであれば、 特に制限なく用いることができる。例えばSUS やTi、Cu等の金属基板、SiやGe、GaAs等の半導体 基板、ガラス基板のような絶縁体基板、プラ スティック基板等が挙げられる。例えばガラ ス基板のような絶縁体基板を用いるのであれ ば、その電子加速層4との界面に金属などの� �電性物質を電極として付着さることによっ� �、下部電極となる基板2として用いることが� ��きる。上記導電性物質としては、導電性に� ��れた貴金属系材料を、マグネトロンスパッ� ��等を用いて薄膜形成できれば、その構成材� ��は特に問わない。また、酸化物導電材料と� ��て、透明電極に広く利用されているITO薄膜� ��有用である。また、強靭な薄膜を形成でき� ��という点で、例えば、ガラス基板表面にTi� �200nm成膜し、さらに重ねてCuを1000nm成膜した� ��属薄膜を用いてもよいが、これら材料およ� ��数値に限定されることはない。

 上部電極3は、電子加速層4内に電圧を印� �させるものである。そのため、電圧の印加� �可能となるような材料であれば特に制限な� �用いることができる。ただし、電子加速層4� ��で加速され高エネルギーとなった電子をな� ��べくエネルギーロス無く透過させて放出さ� ��るという観点から、仕事関数が低くかつ薄� ��を形成することが可能な材料であれば、よ� ��高い効果が期待できる。このような材料と� ��て、例えば、仕事関数が4~5eVに該当する金� �銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ� �パラジウムなどが挙げられる。中でも大気� �中での動作を想定した場合、酸化物および� �化物形成反応のない金が、最良な材料とな� �。また、酸化物形成反応の比較的小さい銀� �パラジウム、タングステンなども問題なく� �使用に耐える材料である。また上部電極3の� ��厚は、電子放出素子1から外部へ電子を効率 良く放出させる条件として重要であり、10~55n mの範囲とすることが好ましい。上部電極3を� ��面電極として機能させるための最低膜厚は1 0nmであり、これ未満の膜厚では、電気的導通 を確保できない。一方、電子放出素子1から� �部へ電子を放出させるための最大膜厚は55nm� ��あり、これを超える膜厚では弾道電子の透� ��が起こらず、上部電極3で弾道電子の吸収あ るいは反射による電子加速層4への再捕獲が� �じてしまう。

 電子加速層4は、導電体からなり抗酸化力 が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大き さより大きい絶縁体物質とを含んでいればよ い。本実施形態では、上記導電微粒子は、金 属微粒子6として説明する。また、本実施形� �では、上記絶縁体物質は、金属微粒子6の平� ��径より大きい平均径の微粒子である、絶縁� ��の微粒子5として説明する。しかし電子加速 層4の構成は、上記したものに限定されず、� �えば、上記絶縁体物質が、基板2に層形成さ� ��ており、かつ、層の厚み方向に貫通する複� ��の開口部を有しており、そして、この開口� ��には、導電微粒子が収容されていている、� ��いうような形態であってもよい。

 本実施形態では、電子加速層4には、絶縁 体の微粒子5と、金属微粒子6とを含んでいる� ��よって、以下では、電子加速層4を微粒子層 4と記載する。

 ここで、金属微粒子6の金属種としては、 弾道電子を生成するという動作原理の上では どのような金属種でも用いることができる。 ただし、大気圧動作させた時の酸化劣化を避 ける目的から、抗酸化力が高い金属である必 要があり、貴金属が好ましく、例えば、金、 銀、白金、パラジウム、ニッケルといった材 料が挙げられる。このような金属微粒子6は� �公知の微粒子製造技術であるスパッタ法や� �霧加熱法を用いて作成可能であり、応用ナ� �研究所が製造販売する銀ナノ粒子等の市販� �金属微粒子粉体も利用可能である。弾道電� �の生成の原理については後段で記載する。

 ここで、金属微粒子6の平均径は、導電性 を制御する必要から、以下で説明する絶縁体 の微粒子5の大きさよりも小さくなければな� �ず、3~10nmであるのがより好ましい。このよ� �に、金属微粒子6の平均径を、絶縁体の微粒� ��5の粒子径よりも小さく、好ましくは3~10nmと することにより、微粒子層4内で、金属微粒� �6による導電パスが形成されず、微粒子層4内 での絶縁破壊が起こり難くなる。また原理的 には不明確な点が多いが、粒子径が上記範囲 内の金属微粒子6を用いることで、弾道電子� �効率よく生成される。

 なお、金属微粒子6の周囲には、金属微粒 子6の大きさより小さい絶縁体物質が存在し� �いてもよく、金属微粒子6の大きさより小さ� ��絶縁体物質は、金属微粒子6の表面に付着す る付着物質であってもよく、付着物質は、金 属微粒子6の平均径より小さい形状の集合体� �して、金属微粒子6の表面を被膜する絶縁被� ��であってもよい。金属微粒子6の大きさより 小さい絶縁体物質としては、弾道電子を生成 するという動作原理の上ではどのような絶縁 体物質でも用いることができる。ただし、金 属微粒子6の大きさより小さい絶縁体物質が� �属微粒子6を被膜する絶縁被膜であり、絶縁� ��膜を金属微粒子6の酸化被膜によって賄った 場合、大気中での酸化劣化により酸化皮膜の 厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまう恐 れがあるため、大気圧動作させた時の酸化劣 化を避ける目的から、有機材料による絶縁被 膜が好ましく、例えば、アルコラート、脂肪 酸、アルカンチオールといった材料が挙げら れる。この絶縁被膜の厚さは薄い方が有利で あることが言える。

 絶縁体の微粒子5に関しては、その材料は絶 縁性を持つものであれば特に制限なく用いる ことができる。ただし、後述の実験結果の通 り微粒子層4を構成する微粒子全体における� �縁体の微粒子5の重量割合は80~95%、またその� ��きさは、金属微粒子6に対して優位な放熱効 果を得るため、金属微粒子6の直径よりも大� �いことが好ましく、絶縁体の微粒子5の直径( 平均径)は10~1000nmであることが好ましく、12~11 0nmがより好ましい。従って、絶縁体の微粒子 5の材料はSiO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、TiO ₂ といったものが実用的となる。ただし、表面 処理が施された小粒径シリカ粒子を用いると 、それよりも粒子径の大きな球状シリカ粒子 を用いるときと比べて、溶媒中に占めるシリ カ粒子の表面積が増加し、溶液粘度が上昇す るため、微粒子層4の膜厚が若干増加する傾� �にある。また、絶縁体の微粒子5の材料には� ��有機ポリマーから成る微粒子を用いてもよ� ��、例えば、JSR株式会社の製造販売するスチ� ��ン/ジビニルベンゼンから成る高架橋微粒子 (SX8743)、または日本ペイント株式会社の製造� ��売するスチレン・アクリル微粒子のファイ� ��スフェアシリーズが利用可能である。ここ� ��、絶縁体の微粒子5は、2種類以上の異なる� �子を用いてもよく、また、粒径のピークが� �なる粒子を用いてもよく、あるいは、単一� �子で粒径がブロードな分布のものを用いて� �よい。

 また絶縁体の成す役割は微粒子形状に依� ��しないため、上記絶縁体物質に有機ポリマ� ��から成るシート基板や、何らかの方法で絶� ��体物質を塗布して形成した絶縁体層を用い� ��もよい。但しこのシート状基板や絶縁体層� ��は厚さ方向を貫通する複数の微細孔を有す� ��必要がある。このような用件を満たすシー� ��状基板材料として、例えば、ワットマンジ� ��パン株式会社の製造販売するメンブレンフ� ��ルターニュークリポア(ポリカーボネート製 )が有用である。

 微粒子層4は薄いほど強電界がかかるため 低電圧印加で電子を加速させることができる が、電子加速層の層厚を均一化できること、 また層厚方向における電子加速層の抵抗調整 が可能となることなどから、微粒子層4の層� �は、12~6000nm、より好ましくは300~6000nmである� ��よい。

 次に、電子放出の原理について説明する� ��図2は、電子放出素子1の微粒子層4付近の断� ��を拡大した模式図である。図2に示すように 、微粒子層4は、その大部分を絶縁体微の粒� �5で構成され、その隙間に金属微粒子6が点在 している。図2における絶縁体の微粒子5およ� ��金属微粒子6の比率は、絶縁体の微粒子5お� �び金属微粒子6の総重量に対する絶縁体の微� ��子5の重量比率が80%に相当する状態であり、 絶縁体の微粒子5一粒子当たりに付着する金� �微粒子6は六粒子程度となる。

 微粒子層4は絶縁体の微粒子5と少数の金� �微粒子6とで構成されるため、半導電性を有� ��る。よって微粒子層4へ電圧を印加すると、 極弱い電流が流れる。微粒子層4の電圧電流� �性は所謂バリスタ特性を示し、印加電圧の� �昇に伴い急激に電流値を増加させる。この� �流の一部は、印加電圧が形成する微粒子層4� ��の強電界により弾道電子となり、上部電極3 を透過あるいはその隙間を通過して電子放出 素子1の外部へ放出される。弾道電子の形成� �程は、電子が電界方向に加速されつつトン� �ルすることによるものと考えられるが、断� �できていない。

 次に、電子放出素子1の、生成方法の一実 施形態について説明する。まず、基板2上に� �絶縁体の微粒子5と、金属微粒子6とを分散さ せた分散溶液をスピンコート法を用いて塗布 することで、微粒子層4を形成する。ここで� �分散溶液に用いる溶媒としては、絶縁体の� �粒子5と、金属微粒子6とを分散でき、かつ塗 布後に乾燥できれば、特に制限なく用いるこ とができ、例えば、トルエン、ベンゼン、キ シレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いる ことができる。また、金属微粒子6の分散性� �向上させる目的で、事前処理としてアルコ� �ート処理を施すとよい。スピンコート法に� �る成膜、乾燥、を複数回繰り返すことで所� �の膜厚にすることができる。微粒子層4は、� ��ピンコート法以外に、例えば、滴下法、ス� ��レーコート法等の方法でも成膜することが� ��きる。そして、電子加速層4上に上部電極3� �成膜する。上部電極3の成膜には、例えば、� ��グネトロンスパッタ法を用いればよい。

 また、電子放出素子1において、電子加速層 における絶縁体物質(微粒子層4における絶縁� ��の微粒子5に対応)が層形成されたものであ� �場合、次のように生成することができる。� �ず、基板2上に、シート状で、かつ、層の厚� ��方向に貫通する複数の開口部を有している� ��縁体物質(以降ではシート状絶縁体物質)を� �層する、もしくは、基板2上に絶縁体物質を� ��解/分散したコート液を塗布して絶縁体層を 形成する。シート状絶縁体物質には、例えば 、有機ポリマー、SiO ₂ 、Al ₂ O ₃ から成るシート状基板を用いることができ、 絶縁体層を形成する物質には、SiO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、及びTiO ₂ 、または有機ポリマーを用いることができる 。

 ここで、複数の開口部は、有機ポリマーで� ��れば刃物を用いたうち抜き法や、高エネル� ��ーレーザ照射によるレーザ穴あけ加工法等� ��用いて形成可能であり、またSiO ₂ 、Al ₂ O ₃ から成る物質には、陽極酸化法、特にSiO ₂ のナノポーラス構造形成には、界面活性剤を 鋳型とする水熱反応法等を用いて、所望の開 口部を形成可能である。なお、開口部の大き さは、使用する金属微粒子以上の直径が必要 となり、50~50nmが好ましい。このような開口� �が設けられたシート状絶縁体物質を基板2積� ��する、もしくは絶縁体物質を溶解/分散した コート液を塗布して形成した絶縁体層に、複 数の開口部を形成する。

 ここで、上記では、基板2に、開口部が設 けられたシート状絶縁体物質を積層している が、基板2にシート状絶縁体物質を積層した� �に、シート状絶縁体物質に開口部を形成し� �もよい。

 その後、シート状絶縁体物質の開口部に� ��縁被膜された金属微粒子6を充填する。この とき、例えば、絶縁被膜された金属微粒子6� �分散させた溶液を、開口部に浸透させ自然� �燥させることで、電子加速層4が形成される� ��なお、絶縁被膜された金属微粒子6を、溶媒 に分散させることなく、送風や吸引または擦 り込みなどの方法により開口部に直接浸透さ せてもよい。そして、このように形成された 電子加速層4上に、上部電極3を成膜する。上� ��電極3の成膜には、例えば、マグネトロンス パッタ法を用いればよい。

 (実施例1)
 実施例として、本発明に係る電子放出素子� ��用いた電子放出実験について図3~7を用いて� ��明する。なお、この実験は実施の一例であ� ��て、本発明の内容を制限するものではない� ��

 本実施例では、微粒子層4における絶縁体 の微粒子5と絶縁体物質(付着物質)を表面に付 着させた金属微粒子6との配合を変えた5種類� ��電子放出素子1を作製した。

 基板2には30mm角のSUSの基板を使用し、こ� �基板2上にスピンコート法を用いて微粒子層4 を堆積させた。スピンコート法に用いた絶縁 体の微粒子5及び絶縁体物質を表面に付着さ� �た金属微粒子6を含んだ溶液は、トルエンを� ��媒として各粒子を分散したものである。ト� ��エン溶媒中に分散させた絶縁体の微粒子5と 絶縁体物質を表面に付着させた金属微粒子6� �配合割合は、絶縁体の微粒子5および金属微� ��子6の投入総量に対する絶縁体の微粒子5の� �量比率を70、80、90、95%と、それぞれ成るよ� �にした。

 絶縁体物質を表面に付着させた金属微粒� ��6として、銀ナノ粒子(平均径10nm、うち絶縁� ��膜アルコラート1nm厚)を用い、絶縁体の微粒 子5として、球状シリカ粒子(平均径110nm)を用� ��た。

 各微粒子を分散させた溶液は、次のよう� ��作成する。10mLの試薬瓶にトルエン溶媒を3mL 入れ、その中に0.5gのシリカ粒子を投入する� �ここで試薬瓶を超音波分散器にかけ、シリ� �粒子の分散を行う。この後0.055gの銀ナノ粒� �を追加投入し、同様に超音波分散処理を行� �。こうして絶縁体の微粒子(シリカ粒子)の配 合割合が90%となる分散溶液が得られる。

 スピンコート法による成膜条件は、分散� ��液の基板への滴下後に、500RPMにて5sec続いて 3000RPMにて10sec、基板の回転を行う事とした。 この成膜条件を3度繰り返し、基板上に3層堆� ��させた後、室温で自然乾燥させた。膜厚は� ��1500nmであった。

 基板2の表面に微粒子層4を形成後、マグネ� �ロンスパッタ装置を用いて上部電極3を成膜� ��る。成膜材料として金を使用し、上部電極3 の層厚は12nm、同面積は0.28cm ² とした。

 上記のように作製した電子放出素子につい� ��、図3に示すような測定系を用いて電子放出 実験を行った。図3の実験系では、電子放出� �子1の上部電極3側に、絶縁体スペーサ9を挟� �で対向電極8を配置させる。そして、電子放� ��素子1および対向電極8は、それぞれ、電源7� ��接続されており、電子放出素子1にはV1の電� ��、対向電極8にはV2の電圧がかかるようにな� ��ている。このような実験系を1×10 ^-8 ATMの真空中に配置して電子放出実験を行い、 さらに、このような実験系を大気中に配置し て電子放出実験を行った。これらの実験結果 を図4~7に示す。

 図4は、真空中にて電子放出実験した際の電 子放出電流を測定した結果を示すグラフであ る。ここで、V1=1~10V、V2=50Vとした。図4に示す ように、1×10 ^-8 ATMの真空中において、シリカ粒子の重量比率 が、70%では電子放出が見られないのに対し、 80、90、95%では電子放出による電流が観測さ� �た。その値は、10Vの電圧印加で10 ^-7 A程度であった。

 図5は、上記と同様、真空中において電子 放出実験した際の素子内電流を測定した結果 を示すグラフである。ここでも、上記と同様 、V1=1~10V、V2=50Vとした。図5から、シリカ粒子 の割合が70%では抵抗値が足りずに絶縁破壊を 起こしている(電流値が振り切れ、グラフ上� �に張り付いている)ことがわかる。金属微粒� ��の配合比が多くなると、金属微粒子による� ��電パスが形成され易くなり、微粒子層4に低 電圧で大電流が流れてしまう。このため、弾 道電子発生の条件が成立しないと考えられる 。

 図6は、シリカ粒子の割合が90%の電子放出 素子を用いて、V1=1~15V,V2=200Vとして、大気中� �電子放出実験した際の、電子放出電流およ� �素子内電流を測定した結果を示すグラフで� �る。

 図6に示すように、大気中で、V1=15Vの電圧印 加で10 ^-10 A程度の電流が観測された。

 さらに、図7は、図6と同様シリカ粒子の� �合が90%の電子放出素子を用いて、ここでは� �V1=15V,V2=200Vの電圧印加で大気中にて連続駆動 させた際の、電子放出電流および素子内電流 を測定した結果を示すグラフである。図7に� �す通り、6時間経っても安定的に電流を放出� ��続けた。

 (実施例2)
 本実施例では、微粒子層4における絶縁体の 微粒子5と絶縁体物質を表面に付着させた金� �微粒子6の組成は上記実施例1と同様だが、微 粒子層4の成膜条件を変更し、その層厚を変� �た4種類の電子放出素子1を作成した。

 スピンコートに用いる分散溶液に分散さ� ��た絶縁体の微粒子5と絶縁体物質を表面に付 着させた金属微粒子6の配合割合は、絶縁体� �微粒子5および金属微粒子6の投入総量に対す る絶縁体の微粒子5の重量比率を80%と成るよ� �に調整し、スピンコート法による上述の成� �条件を1回、5回、で作成した。また、同スピ ンコート法による成膜条件において、コート 面へ供給する塗液量を減量し、同1回のスピ� �コート条件でも行った。さらに先の成膜方� �は異なり、分散溶液を基板2表面に滴下する� ��けの方法でも微粒子層4の成膜も行った。各 成膜条件と微粒子層4の層厚との関係は、表1� ��示す通りである。

 本実施例にて作成した電子放出素子1を、図 3に示す測定系を用いて測定した結果は以下� �通りである。V1=1~20V、V2=50Vとして計測した結 果、1×10 ^-8 ATMの真空中において、微粒子層4の層厚が300nm から6000nmの範囲にある電子放出素子では電子 放出が得られたのに対し、19000nmの電子放出� �子では、素子の抵抗が高いため十分な素子� �電流を流すことができず、電子放出が得ら� �なかった。

 (実施例3)
 上記実施例1,2では、トルエン溶媒に、絶縁� ��の微粒子5として球状シリカ粒子、絶縁体物 質を表面に付着させた金属微粒子6としてア� �コラート被膜された銀ナノ粒子、を分散さ� �た系であった。本実施例では、金属微粒子� �して、金、白金およびパラジウムを用いて� �子放出素子の作成を行った。

 微粒子層4の成膜方法には前述のスピンコ ート法を用いるため、各微粒子を分散させた 溶液を次のように作成した。10mLの試薬瓶に� �タノール溶媒を3mL入れ、球状シリカ粒子(平� ��径110nm)を0.5g投入する。ここで試薬瓶を超音 波分散器にかけ、シリカ粒子の分散を行う。 次に金微粒子(平均粒径3nm)を0.055g追加投入し� ��同様に超音波分散処理を行う。この条件で� ��散溶液に占める微粒子の総質量に対するシ� ��カ粒子の配合割合は90%となる。

 スピンコート法による成膜条件は前述の実� ��例と同様であるが、SUSの基板表面には、前� ��理としてシランカップリング剤を用いた親� ��化処理を行う必要がある。このようにして� ��成した微粒子層4の表面には、マグネトロン スパッタ装置を用いて上部電極3を成膜する� �成膜材料として金を使用し、上部電極3の層� ��は12nm、同面積は0.28cm ² とした。

 この電子放出素子は1×10 ^-8 ATMの真空中において、上部電極への印加電圧 10Vにて、6×10 ^-8 Aの電子放出電流が確認された。

 同様に、白金微粒子およびパラジウムパ� ��ジウム微粒子においても、全く同様の製造� ��法により電子放出素子を作成し、電子放出� ��能であることを確認した。

 (実施例4)
 本実施例では、微粒子層4における絶縁体の 微粒子5として有機ポリマーから成る微粒子� �用いて電子放出素子の作成を行った。

 先の実施例同様、微粒子層4の成膜方法に は前述のスピンコート法を用いるため、各微 粒子を分散させた溶液を次のように作成した 。10mLの試薬瓶にトルエン溶媒を3mL入れ、JSR� �式会社製高架橋ポリマー微粒子(SX8743:平均径 50nm)を0.5g投入する。ここで試薬瓶を超音波分 散器にかけ、高架橋ポリマー微粒子の分散を 行う。次に応用ナノ研究所製、銀ナノ粒子を 0.055g追加投入し、同様に超音波分散処理を行 い、微粒子分散溶液が得られる。

 スピンコート法による成膜条件は前述の� ��のと同様であり、SUSの基板2表面に3回の成� �を繰り返すことで、膜厚が約1000nmの微粒子� �4が得られた。この微粒子層4の表面に、金材 料を用いて厚さ40nmの上部電極3を成膜し、電� ��放出素子とした。本実施例における電子放� ��素子においても、電子放出が確認された。

 (実施例5)
 本実施例では、電子加速層における絶縁体� ��質(上記実施例1~4の、微粒子層4における絶� �体の微粒子5に対応)として有機ポリマーから 成るシート状基板を用いて電子放出素子の作 成を行った。図8に、本発明に係る電子放出� �子の構成の、別の一例である電子放出素子1� ��の電子加速層4’付近の断面を拡大した模式 図を示す。本実施例では、絶縁体物質5’は� �シート状で基板2に積層されており、積層方� ��に貫通する複数の開口部51を有する形状と� �っている。

 基板2には30mm角のSUSの基板を用い、その上� �絶縁体物質5’として厚さが6μmのポリカーボ ネートのシートを積層した。なお、このポリ カーボネートのシートには、φ50nmの開口部(� �)51が1μm ² あたり6個の割合で開いており、その開口率� �約1.2%である。開口部51は、シートの積層方� �に貫通している。

 次に、絶縁体物質を表面に付着させた金属� ��粒子6として金ナノ粒子(平均粒径10nm、うち� ��縁皮膜水溶性高分子1nm)を2.5mmol/Lの濃度で溶 媒である水に分散させた。この溶液を上記ポ リカーボネートのシートの上に適量滴下し、 上記開口部51に浸透させた後、自然乾燥させ� ��。上部電極3には金を用い、マグネトロンス パッタにより層厚を12nmにして開口部51に金ナ ノ粒子が埋まっているポリカーボネートのシ ート(電子加速層4’)上に堆積させた。電極面 積は0.28cm ² であった。

 上記のように作製した電子放出素子1’に ついて、図3に示すような測定系を用いて電� �放出実験を行ったところ、電子放出による� �流が確認された。

 なお、本実施例では溶液の滴下により開� ��部51に絶縁体物質を表面に付着させた金属� �粒子6を浸透させているが、溶媒に分散させ� ��ことなく送風や吸引または擦り込みなどの� ��法により直接浸透させてもよい。

 〔実施の形態2〕
 図9に、実施の形態1で説明した本発明に係� �電子放出素子1を用いた本発明に係る帯電装� ��90の一例を示す。帯電装置90は、電子放出素 子1とこれに電圧を印加する電源7とからなり� ��感光体11を帯電させるものである。本発明� �係る画像形成装置は、この帯電装置90を具備 している。本発明に係る画像形成装置におい て、帯電装置90を成す電子放出素子1は、被帯 電体である感光体11に対向して設置され、電� ��を印加することにより、電子を放出させ、� ��光体11を帯電させる。なお、本発明に係る� �像形成装置では、帯電装置90以外の構成部材 は、従来公知のものを用いればよい。ここで 、帯電装置90として用いる電子放出素子1は、 感光体11から、例えば3~5mm隔てて配置するの� �好ましい。また、電子放出素子1への印加電� ��は25V程度が好ましく、電子放出素子1の電子 加速層の構成は、例えば、25Vの電圧印加で、 単位時間当たり1μA/cm ² の電子が放出されるようになっていればよい 。

 帯電装置90として用いられる電子放出素� �1は、大気中で動作させても放電を伴わず、� ��って帯電装置90からのオゾンの発生は全く� �い。オゾンは人体に有害であり環境に対す� �各種規格で規制されているほか、機外に放� �されなくとも機内の有機材料、例えば感光� �11やベルトなどを酸化し劣化させてしまう。 このような問題を、本発明に係る電子放出素 子1を帯電装置90に用い、また、このような帯 電装置90を画像形成装置が有することで、解� ��することができる。

 さらに帯電装置90として用いられる電子� �出素子1は、面電子源として構成されるので� ��感光体11の回転方向へも幅を持って帯電を� �え、感光体11のある箇所への帯電機会を多く 稼ぐことができる。よって、帯電装置90は、� ��状で帯電するワイヤ帯電器などと比べ、均� ��な帯電が可能である。また、帯電装置90は� �数kVの電圧印加が必要なコロナ放電器と比べ て、10V程度と印加電圧が格段に低くてすむと いうメリットもある。

 〔実施の形態3〕
 図10に、実施の形態1で説明した本発明に係� ��電子放出素子1を用いた本発明に係る電子線 硬化装置100の一例を示す。電子線硬化装置100 は、電子放出素子1とこれに電圧を印加する� �源7、さらに電子を加速させる加速電極21を� �えている。電子線硬化装置100では、電子放� �素子1を電子源とし、放出された電子を加速� ��極21で加速してレジスト22へと衝突させる。 一般的なレジスト22を硬化させるために必要� ��エネルギーは10eV以下であるため、エネルギ ーだけに注目すれば加速電極は必要ない。し かし、電子線の浸透深さは電子のエネルギー の関数となるため、例えば厚さ1μmのレジス� �22を全て硬化させるには約5kVの加速電圧が必 要となる。

 従来からある一般的な電子線硬化装置は� ��電子源を真空封止し、高電圧印加(50~100kV)に より電子を放出させ、電子窓を通して電子を 取り出し、照射する。この電子放出の方法で あれば、電子窓を透過させる際に大きなエネ ルギーロスが生じる。また、レジストに到達 した電子も高エネルギーであるため、レジス トの厚さを透過してしまい、エネルギー利用 効率が低くなる。さらに、一度に照射できる 範囲が狭く、点状で描画することになるため 、スループットも低い。

 これに対し、本発明に係る電子放出素子1 を用いた本発明に係る電子線硬化装置は、大 気中動作可能であるため、真空封止の必要が ない。また、電子透過窓を通さないのでエネ ルギーのロスも無く、印加電圧を下げること ができる。さらに面電子源であるためスルー プットが格段に高くなる。また、パターンに 従って電子を放出させれば、マスクレス露光 も可能となる。

 〔実施の形態4〕
 図11~13に、実施の形態1で説明した本発明に� ��る電子放出素子1を用いた本発明に係る自発 光デバイスの例をそれぞれ示す。

 図11に示す自発光デバイス31は、電子放出 素子1とこれに電圧を印加する電源7と、さら� ��、電子放出素子1と離れ、対向した位置に、 基材となるガラス基板34、ITO膜33、そして蛍� �体32が積層構造を有する発光部36と、から成� ��。

 蛍光体32としては赤、緑、青色発光に対応� �た電子励起タイプの材料が適しており、例� �ば、赤色ではY ₂ O ₃ :Eu、(Y,Gd)BO ₃ :Eu、緑色ではZn ₂ SiO ₄ :Mn、BaAl ₁₂ O ₁₉ :Mn、青色ではBaMgAl ₁₀ O ₁₇ :Eu ²⁺ 等が使用可能である。ITO膜33が成膜されたガ� ��ス基板34表面に、蛍光体32を成膜する。蛍光 体32の厚さ1μm程度が好ましい。また、ITO膜33� ��膜厚は、導電性を確保できる膜厚であれば� ��題なく、本実施形態では150nmとした。

 蛍光体32を成膜するに当たっては、バイ� �ダーとなるエポキシ系樹脂と微粒子化した� �光体粒子との混練物として準備し、バーコ� �ター法或いは滴下法等の公知な方法で成膜� �るとよい。

 ここで、蛍光体32の発光輝度を上げるに� �、電子放出素子1から放出された電子を蛍光� ��へ向けて加速する必要があり、その場合は� ��子放出素子1の基板2と発光部36のITO膜33の間� ��、電子を加速する電界を形成するための電� ��印加するために、電源35を設けるとよい。� �のとき、蛍光体32と電子放出素子1との距離� �、0.3~1mmで、電源7からの印加電圧は18V、電源 35からの印加電圧は500~2000Vにするのが好まし� ��。

 図12に示す自発光デバイス31’は、電子放 出素子1とこれに電圧を印加する電源7、さら� ��、蛍光体32を備えている。自発光デバイス31 ’では、蛍光体32は平面状であり、電子放出� ��子1の表面に蛍光体32が配置されている。こ� ��で、電子放出素子1表面に成膜された蛍光体 32の層は、前述のように微粒子化した蛍光体� ��子との混練物から成る塗布液として準備し� ��電子放出素子1表面に成膜する。但し、電子 放出素子1そのものは外力に対して弱い構造� �あるため、バーコーター法による成膜手段� �利用すると素子が壊れる恐れがある。この� �め滴下法或いはスピンコート法等の方法を� �いるとよい。

 図13に示す自発光デバイス31”は、電子放 出素子1とこれに電圧を印加する電源7を備え� ��おり、さらに、電子放出素子1の微粒子層4� �蛍光体32’として蛍光の微粒子が混入されて いる。この場合、蛍光体32’の微粒子を絶縁� ��の微粒子5と兼用させてもよい。但し前述し た蛍光体の微粒子は一般的に電気抵抗が低く 、絶縁体の微粒子5に比べると明らかに電気� �抗は低い。よって蛍光体の微粒子を絶縁体� �微粒子5に変えて混合する場合、その蛍光体� ��微粒子の混合量は少量に抑えなければ成ら� ��い。例えば、絶縁体の微粒子5として球状シ リカ粒子(平均径110nm)、蛍光体微粒子としてZn S:Mg(平均径500nm)を用いた場合、その重量混合� ��は3:1程度が適切となる。

 上記自発光デバイス31,31’,31”では、電� �放出素子1より放出させた電子を蛍光体32,32� �衝突させて発光させる。なお、自発光デバ� �ス31,31’,31”は、電子放出素子1が大気中で� �子を放出できるため、大気中動作可能であ� �が、真空封止すれば電子放出電流が上がり� �より効率よく発光することができる。

 さらに、図14に、本発明に係る自発光デバ� �スを備えた本発明に係る画像表示装置の一� �を示す。図14に示す画像表示装置140は、図13� ��示した自発光デバイス31”と、液晶パネル33 0とを供えている。画像表示装置140では、自� �光デバイス31”を液晶パネル330の後方に設置 し、バックライトとして用いている。画像表 示装置140に用いる場合、自発光デバイス31”� ��の印加電圧は、20~35Vが好ましく、この電圧� ��て、例えば、単位時間当たり10μA/cm ² の電子が放出されるようになっていればよい 。また、自発光デバイス31”と液晶パネル330� ��の距離は、0.1mm程度が好ましい。

 また、本発明に係る画像表示装置として、� ��11に示す自発光デバイス31を用いる場合、自 発光デバイス31をマトリックス状に配置して� ��自発光デバイス31そのものによるFEDとして� �像を形成させて表示する形状とすることも� �きる。この場合、自発光デバイス31への印加 電圧は、20~35Vが好ましく、この電圧にて、例 えば、単位時間当たり10μA/cm ² の電子が放出されるようになっていればよい 。

 〔実施の形態5〕
 図15及び図16に、実施の形態1で説明した本� �明に係る電子放出素子1を用いた本発明に係� ��送風装置の例をそれぞれ示す。以下では、� ��願発明に係る送風装置を、冷却装置として� ��いた場合について説明する。しかし、送風� ��置の利用は冷却装置に限定されることはな� ��。

 図15に示す送風装置150は、電子放出素子1と� ��れに電圧を印加する電源7とからなる。送風 装置150において、電子放出素子1は、電気的� �接地された被冷却体41に向かって電子を放出 することにより、イオン風を発生させて被冷 却体41を冷却する。冷却させる場合、電子放� ��素子1に印加する電圧は、18V程度が好ましく 、この電圧で、雰囲気下に、例えば、単位時 間当たり1μA/cm ² の電子を放出することが好ましい。

 図16に示す送風装置160は、図15に示す送風装 置150に、さらに、送風ファン42が組み合わさ� ��ている。図16に示す送風装置160は、電子放� �素子1が電気的に接地された被冷却体41に向� �って電子を放出し、さらに、送風ファン42が 被冷却体41に向かって送風することで電子放� ��素子から放出された電子を被冷却体41に向� �って送り、イオン風を発生させて被冷却体41 を冷却する。この場合、送風ファン42による� ��量は、0.9~2L/分/cm ² とするのが好ましい。

 ここで、送風によって被冷却体41を冷却� �せようとするとき、従来の送風装置あるい� �冷却装置のようにファン等による送風だけ� �は、被冷却体41の表面の流速が0となり、最� �熱を逃がしたい部分の空気は置換されず、� �却効率が悪い。しかし、送風される空気の� �に電子やイオンといった荷電粒子を含まれ� �いると、被冷却体41近傍に近づいたときに電 気的な力によって被冷却体41表面に引き寄せ� ��れるため、表面近傍の雰囲気を入れ替える� ��とができる。ここで、本発明に係る送風装� ��150,160では、送風する空気の中に電子やイオ ンといった荷電粒子を含んでいるので、冷却 効率が格段に上がる。

 図17は、被冷却体41に単に空気を送風した 場合の被冷却体41の表面温度と、被冷却体41� �電子およびイオンを含む空気を送風した場� �の被冷却体41の表面温度とを比較したグラフ である。図17から、送風される空気に電子お� ��びイオンが含まれると、冷却効率が上がる� ��とがわかる。

 以上のように、本発明の電子放出素子は� ��電極基板と薄膜電極とを有し、当該電極基� ��と薄膜電極との間に電圧を印加することで� ��当該電極基板と薄膜電極との間で電子を加� ��させて、当該薄膜電極から当該電子を放出� ��せる電子放出素子であって、上記電極基板� ��上記薄膜電極との間には、導電体からなり� ��酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒� ��の大きさより大きい絶縁体物質と、が含ま� ��る電子加速層が設けられていることを特徴� ��している。

 本発明の電子放出素子では、上記構成に� ��え、上記導電微粒子は、貴金属であっても� ��い。このように、上記導電微粒子が、貴金� ��であることで、導電微粒子の、大気中の酸� ��による酸化などをはじめとする素子劣化を� ��ぐことができる。よって、電子放出素子の� ��寿命化を図ることができる。

 本発明の電子放出素子では、上記構成に� ��え、上記導電微粒子を成す導電体は、金、� ��、白金、パラジウム、及びニッケルの少な� ��とも1つを含んでいてもよい。このように、 上記導電微粒子を成す導電体が、金、銀、白 金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも 1つを含んでいることで、導電微粒子の、大� �中の酸素による酸化などをはじめとする素� �劣化を、より効果的に防ぐことができる。� �って、電子放出素子の長寿命化をより効果� �に図ることができる。

 本発明の電子放出素子では、上記構成に� ��え、上記導電微粒子の平均径は、導電性を� ��御する必要から、上記絶縁体物質の大きさ� ��りも小さくなければならず、3~10nmであるの� ��好ましい。このように、上記導電微粒子の� ��均径を、上記絶縁体物質の微粒子径よりも� ��さく、好ましくは3~10nmとすることにより、� ��子加速層内で、導電微粒子による導電パス� ��形成されず、電子加速層内での絶縁破壊が� ��こり難くなる。また原理的には不明確な点� ��多いが、粒子径が上記範囲内の導電微粒子� ��用いることで、弾道電子が効率よく生成さ� ��る。

 本発明の電子放出素子では、上記構成に加� ��、上記絶縁体物質は、SiO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、及びTiO ₂ の少なくとも1つを含んでいてもよい。また� �有機ポリマーを含んでいてもよい。上記絶� �体物質が、SiO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、及びTiO ₂ の少なくとも1つを含んでいる、あるいは、� �機ポリマーを含んでいると、これら物質の� �縁性が高いことにより、上記電子加速層の� �抗値を任意の範囲に調整することが可能と� �る。特に、絶縁体物質として酸化物(SiO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、及びTiO ₂ の)を用い、導電微粒子として抗酸化力が高� �導電体を用いる場合には、大気中の酸素に� �る酸化に伴う素子劣化をより一層発生し難� �なるため、大気圧中でも安定して動作させ� �効果をより顕著に発現させることができる� �

 ここで、上記絶縁体物質は微粒子であっ� ��もよく、その平均径が10~1000nmであるのが好� ��しく、12~110nmであるのがより好ましい。こ� �場合、粒子径の分散状態は平均粒径に対し� �ブロードであっても良く、例えば平均粒径50 nmの微粒子は、20~100nmの領域にその粒子径分� �を有していても問題ない。上記微粒子であ� �絶縁体物質の平均径を好ましくは10~1000nm、� �り好ましくは12~110nmとすることにより、上記 絶縁体物質の大きさよりも小さい上記導電微 粒子の内部から外部へと効率よく熱伝導させ て、素子内を電流が流れる際に発生するジュ ール熱を効率よく逃がすことができ、電子放 出素子が熱で破壊されることを防ぐことがで きる。さらに、上記電子加速層における抵抗 値の調整を行いやすくすることができる。

 本発明の電子放出素子では、上記構成に� ��え、上記電子加速層における上記絶縁体物� ��の割合が、重量比で80~95%であるのが好まし� ��。上記電子加速層における上記絶縁体物質� ��割合が、重量比で80~95%であると、上記電子� ��速層内の抵抗値を適度に上げることができ� ��大量の電子が一度に流れることで電子放出� ��子が破壊されるのを防ぐことができる。

 本発明の電子放出素子では、上記構成に� ��え、上記電子加速層の層厚は、12~6000nmであ� ��のが好ましく、300~6000nmであるのがより好ま しい。上記電子加速層の層厚を、好ましくは 12~6000nm、より好ましくは300~6000nmとすること� �より、電子加速層の層厚を均一化すること� �また層厚方向における電子加速層の抵抗調� �が可能となる。この結果、電子放出素子表� �の全面から一様に電子を放出させることが� �能となり、かつ素子外へ効率よく電子を放� �させることができる。

 本発明の電子放出素子では、上記構成に� ��え、上記薄膜電極は、金、銀、炭素、タン� ��ステン、チタン、アルミ、及びパラジウム� ��少なくとも1つを含んでいてもよい。上記薄 膜電極に、金、銀、炭素、タングステン、チ タン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも 1つが含まれることによって、これら物質の� �事関数の低さから、電子加速層で発生させ� �電子を効率よくトンネルさせ、電子放出素� �外に高エネルギーの電子をより多く放出さ� �ることができる。

 本発明の電子放出素子では、上記構成に� ��え、上記導電微粒子の周囲に、当該導電微� ��子の大きさより小さい絶縁体物質が存在し� ��もよい。このように、上記導電微粒子の周� ��に、当該導電微粒子の大きさより小さい絶� ��体物質が存在することは、素子作成時の導� ��微粒子の分散液中での分散性向上に貢献す� ��他、導電微粒子の、大気中の酸素による酸� ��などをはじめとする素子劣化を、より効果� ��に防ぐことができる。よって、電子放出素� ��の長寿命化をより効果的に図ることができ� ��。

 本発明の電子放出素子では、上記構成に� ��え、上記導電微粒子の周囲に存在する上記� ��電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質は� ��アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオ� ��ルの少なくとも1つを含んでいてもよい。こ のように、上記導電微粒子の周囲に存在する 上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物 質が、アルコラート、脂肪酸、及びアルカン チオールの少なくとも1つを含んでいること� �、素子作成時の導電微粒子の分散液中での� �散性向上に貢献するため、導電微粒子の凝� �体が元と成る電流の異常パス形成を生じ難� �する他、絶縁体物質の周囲に存在する導電� �粒子自身の酸化に伴う粒子の組成変化を生� �ないため、電子放出特性に影響を与えるこ� �がない。よって、電子放出素子の長寿命化� �より効果的に図ることができる。

 ここで、本発明の電子放出素子では、上� ��導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒� ��の大きさより小さい絶縁体物質は、上記導� ��微粒子表面に付着して付着物質として存在� ��るものであり、当該付着物質は、上記導電� ��粒子の平均径より小さい形状の集合体とし� ��、上記導電微粒子表面を被膜していてもよ� ��。このように、上記導電微粒子の周囲に存� ��する上記導電微粒子の大きさより小さい絶� ��体物質が、上記導電微粒子表面に付着ある� ��は、上記導電微粒子の平均径より小さい形� ��の集合体として、上記導電微粒子表面を被� ��していることで、素子作成時の導電微粒子� ��分散液中での分散性向上に貢献するため、� ��電微粒子の凝集体が元と成る電流の異常パ� ��形成を生じ難くする他、絶縁体物質の周囲� ��存在する導電微粒子自身の酸化に伴う粒子� ��組成変化を生じないため、電子放出特性に� ��響を与えることがない。よって、電子放出� ��子の長寿命化をさらに効果的に図ることが� ��きる。

 また、本発明の電子放出素子では、上記� ��電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質は� ��上記電極基板に層形成されており、かつ、� ��の厚み方向に貫通する複数の開口部を有し� ��おり、上記開口部には、上記導電微粒子が� ��容されていてもよい。シート状に構成され� ��絶縁体物質は微粒子の集合体ではなく固体� ��塊として存在するため、電流が流れない絶� ��体として機能する。一方、上記開口部に上� ��導電微粒子が収容された部分では、表面抵� ��が低下しその部分のみ電流が流れ易くなる� ��この結果、上記開口部に上記導電微粒子が� ��容された部分でのみ、電子放出が生じる。� ��の方法では、微粒子の分散した分散液を均� ��に塗布する生産工程を必要としないため、� ��り大面積の電子放出素子を容易に形成可能� ��なる。

 本発明の電子放出装置は、上記いずれか1 つの電子放出素子と、上記電極基板と上記薄 膜電極との間に電圧を印加する電源部と、を 備えたことを特徴としている。

 上記構成によると、真空中だけでなく大� ��圧中でも安定して電子を放出できる。さら� ��、オゾンやNOx等の有害物質を生成せず、電� ��を放出することができる。

 さらに、本発明の電子放出素子を自発光� ��バイス、及びこの自発光デバイスを備えた� ��像表示装置に用いることにより、真空封止� ��不要で大気中でも長寿命な面発光を実現す� ��自発光デバイスを提供することができる。

 また、本発明の電子放出素子を、送風装� ��あるいは冷却装置に用いることにより、放� ��を伴わず、オゾンやNOxを始めとする有害な� ��質の発生がなく、被冷却体表面でのスリッ� ��効果を利用することにより高効率で冷却を� ��うことができる。

 また、本発明の電子放出素子を、帯電装� ��、及びこの帯電装置を備えた画像形成装置� ��用いることにより、放電を伴わず、オゾン� ��NOxを始めとする有害な物質を発生させるこ� ��なく、被帯電体を帯電させることができる� ��

 また、本発明の電子放出素子を、電子線� ��化装置に用いることにより、面積的に電子� ��硬化でき、マスクレス化が図れ、低価格化� ��高スループット化を実現することができる� ��

 本発明の電子放出素子の製造方法は、上� ��課題を解決するために、電極基板と薄膜電� ��とを有し、当該電極基板と薄膜電極との間� ��電圧を印加することで、当該電極基板と薄� ��電極との間で電子を加速させて、当該薄膜� ��極から放出させる電子放出素子の製造方法� ��あって、上記電極基板上に、導電体からな� ��抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微� ��子の大きさより大きい絶縁体物質とを含む� ��子加速層を形成する電子加速層形成工程と� ��上記電子加速層上に上記薄膜電極を形成す� ��薄膜電極形成工程と、を含むことを特徴と� ��ている。

 上記方法によると、真空中だけでなく大� ��圧中でも安定して電子を放出でき、オゾン� ��NOx等の有害物質をほぼ生成しない、電子放� ��素子を製造することができる。

 なお、上記電子加速層形成工程は、上記� ��電微粒子と、上記絶縁体物質とを溶媒にて� ��合して混合物質を生成する混合工程と、上� ��電極基板上に上記混合物質を塗布する塗布� ��程と、上記記塗布した混合物質を乾燥させ� ��乾燥工程とを含んでいてもよい。

 または、上記電子加速層形成工程は、シ� ��ト状で、かつ、積層方向に貫通する複数の� ��口部を有している上記絶縁体物質を、上記� ��極基板上に積層する積層工程と、上記開口� ��に上記導電微粒子を充填する充填工程と、� ��含んでいてもよい。あるいは、上記電子加� ��層形成工程は、上記電極基板に上記絶縁体� ��質を層形成する層形成工程と、上記絶縁体� ��質に、層の厚み方向に貫通する複数の開口� ��を形成する開口工程と、上記開口部に上記� ��電微粒子を充填する充填工程とを含んでい� ��もよい。

 以上の発明の詳細な説明の項においてな� ��れた具体的な各実施形態及び各実施例は、� ��くまでも、本発明の技術内容を明らかにす� ��ものであって、そのような具体例にのみ限� ��して狭義に解釈されるべきものではなく、� ��発明の精神と次に記載する特許請求事項の� ��囲内で、いろいろと変更して実施すること� ��できるものである。また、本明細書で示し� ��数値範囲以外であっても、本発明の趣旨に� ��しない合理的な範囲であれば、本発明に含� ��れることはいうまでもない。