JP4730774B2 - Electron emission device - 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、前記エミッタ部を挟んで前記下部電極に対向するように同エミッタ部の上部に形成された上部電極と、を備えた電子放出装置に関する。 The present invention includes 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 so as to face the lower electrode across the emitter portion. And an electron emission device comprising:
従来から、誘電体で形成されたエミッタ部から電子を放出することに関し、以下の非特許文献にて諸説が述べられている。
本出願人は、このような誘電体からなるエミッタ部を有する電子放出装置に関して種々の提案をしている。即ち、本出願人により提案された電子放出装置は、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、前記エミッタ部を挟んで前記下部電極に対向するように同エミッタ部の上部に形成された上部電極と、を備えている。この電子放出装置においては、前記下部電極と前記上部電極との間に駆動電圧が付与される。これにより、誘電体の分極が反転動作させられ、この分極反転に伴って上部電極に形成されている微細な貫通孔から電子が放出される。 The present applicant has made various proposals regarding an electron emission device having an emitter portion made of such a dielectric. That is, the electron emission device proposed by the present applicant has the same emitter part made of a dielectric, a lower electrode formed under the emitter part, and the lower electrode across the emitter part. An upper electrode formed on the emitter. In this electron emission device, a driving voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode. As a result, the polarization of the dielectric is reversed, and electrons are emitted from the fine through-hole formed in the upper electrode along with the polarization reversal.
より具体的に説明すると、この電子放出装置200は、図45乃至図48に示したように、エミッタ部202の上面及び下面にそれぞれ形成された上部電極204及び下部電極206とを備えている。上部電極204には貫通孔204aが形成されている。この貫通孔204aの周部であってエミッタ部202と対向する面は、エミッタ部202から所定の距離だけ離間している。 More specifically, the electron emission device 200 includes an upper electrode 204 and a lower electrode 206 formed on the upper surface and the lower surface of the emitter section 202, respectively, as shown in FIGS. A through hole 204 a is formed in the upper electrode 204. The surface of the through-hole 204a that faces the emitter section 202 is separated from the emitter section 202 by a predetermined distance.
先ず、電子放出装置200は、図45に示したように、エミッタ部202の上部(上面)に電子を蓄積していない初期状態にある。次に、図46に示したように、下部電極206に対して上部電極204の電位が負になるように駆動電圧が付与されると、エミッタ部202の分極が反転する。この分極反転により、上部電極204の貫通孔204aの周辺部の直下部に存在するエミッタ部202に向けて上部電極204から電子が供給される。この結果、貫通孔204aの周辺部の直下部に存在するエミッタ部202の上部に電子が蓄積される。 First, as shown in FIG. 45, the electron emission device 200 is in an initial state in which electrons are not accumulated on the upper portion (upper surface) of the emitter section 202. Next, as shown in FIG. 46, when a drive voltage is applied to the lower electrode 206 so that the potential of the upper electrode 204 becomes negative, the polarization of the emitter section 202 is inverted. Due to this polarization inversion, electrons are supplied from the upper electrode 204 toward the emitter section 202 that exists immediately below the periphery of the through hole 204 a of the upper electrode 204. As a result, electrons are accumulated in the upper part of the emitter part 202 that exists immediately below the peripheral part of the through hole 204a.
次に、図47に示したように、下部電極206に対して上部電極204の電位が正になるように駆動電圧が付与されると、エミッタ部202の分極が再び反転する。このような状態が継続すると、図48に示したように、エミッタ部202の上部に蓄積されていた電子は、クーロンの反発力によって貫通孔204aを通って上方(Z軸正方向)に放出される。 Next, as shown in FIG. 47, when the drive voltage is applied to the lower electrode 206 so that the potential of the upper electrode 204 becomes positive, the polarization of the emitter section 202 is reversed again. If such a state continues, as shown in FIG. 48, the electrons accumulated in the upper portion of the emitter section 202 are emitted upward (Z-axis positive direction) through the through-hole 204a by the coulomb repulsive force. The
ところで、これまで提案してきた電子放出装置においては、極めて微細な径を有する貫通孔204aを上部電極204に形成することは一般に困難であること、及び、貫通孔204aの径が極めて微細であると貫通孔204aの周辺部からエミッタ部202の上部へ供給し得る電子の量が少なくなると考えられていたこと等から、貫通孔204aの径は、例えば、100nm以上になっていた。 By the way, in the electron emission device which has been proposed so far, it is generally difficult to form the through hole 204a having a very fine diameter in the upper electrode 204, and the diameter of the through hole 204a is extremely fine. The diameter of the through hole 204a is, for example, 100 nm or more because it is considered that the amount of electrons that can be supplied from the peripheral part of the through hole 204a to the upper part of the emitter part 202 is reduced.
しかしながら、電子放出装置200の上面の単位面積あたりの電子放出量をより多くするために、貫通孔204aの径を100nm以上の範囲で変更したり、貫通孔204aの個数を増大させたりする等、鋭意検討を重ねたが、電子放出量には限界があった。 However, in order to increase the amount of electron emission per unit area of the upper surface of the electron emission device 200, the diameter of the through hole 204a is changed within a range of 100 nm or more, the number of the through holes 204a is increased, etc. Despite extensive studies, the amount of electron emission was limited.
電子放出量を多くできない理由は、図49に示した等電位線から理解されるように、等電位線が貫通孔204aから外部に膨出することで、電子は、貫通孔204a周辺部から供給されやすくなるものの、電界の強さが小さい貫通孔204aの中央部直下近傍に蓄積され難くなっていることによるものと推測される。 The reason why the amount of emitted electrons cannot be increased is that, as can be understood from the equipotential lines shown in FIG. 49, the equipotential lines bulge out from the through holes 204a, so that electrons are supplied from the periphery of the through holes 204a. Although it is likely to occur, it is presumed that it is difficult to accumulate in the vicinity immediately below the central portion of the through-hole 204a having a small electric field strength.
本発明の電子放出装置の目的の一つは、上記課題を解決し、電子放出量の大きな電子放出装置を提供することである。本発明の電子放出装置は、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、前記エミッタ部を挟んで前記下部電極に対向するように同エミッタ部の上部に形成された上部電極と、を備え、前記下部電極と前記上部電極との間に駆動電圧が付与されることにより前記エミッタ部から同上部電極を介して電子を放出する。この場合、前記上部電極は、前記エミッタ部を露出する貫通孔(例えば、その貫通孔の平均径が10nm以上且つ100nm未満である貫通孔)を複数備えるとともに、同貫通孔の周部であって同エミッタ部と対向する面が同エミッタ部から所定の距離だけ離間しているように形成されている。 One of the objects of the electron-emitting device of the present invention is to solve the above problems and provide an electron-emitting device with a large amount of electron emission. An electron emission device according to the present invention is formed on an upper part of an emitter part made of a dielectric, a lower electrode formed at a lower part of the emitter part, and facing the lower electrode across the emitter part. It includes an upper electrode which is, and you emit electrons through the upper electrode from the emitter section by the driving voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode. In this case, the upper electrode is a through hole that exposes the emitter section (e.g., the average size of the through-hole of its through hole is and less than 100nm or 10 nm) with provided with a plurality of, a in the circumferential portion of the through hole the emitter surface opposed to Te is that are formed as spaced apart by a predetermined distance from the emitter section.
ここで、貫通孔の平均径とは、貫通孔の形状が円形であればその円形の直径と等しく、貫通孔の形状が円形でなければ貫通孔の中心を通るそれぞれ異なる複数の線分の長さの平均として定義される。貫通孔の形状は、円形である必要はなく、三角形、楕円形、長円形及び細い溝状(スリット形状)等であってもよい。なお、貫通孔の形状が細い溝状である場合、実質的に独立した貫通孔とみなせる部分の平均径を上記貫通孔の平均径として扱えばよく、溝幅が略一定である場合には、溝幅の平均を上記貫通孔の平均径として扱えばよい。 Here, the average diameter of the through-holes is equal to the diameter of the through-hole if the shape of the through-hole is circular, and is the length of a plurality of different line segments passing through the center of the through-hole if the shape of the through-hole is not circular. It is defined as the average. The shape of the through hole does not have to be a circle, and may be a triangle, an ellipse, an oval, a thin groove (slit shape), or the like. In addition, when the shape of the through hole is a thin groove shape, the average diameter of the portion that can be regarded as a substantially independent through hole may be treated as the average diameter of the through hole, and when the groove width is substantially constant, What is necessary is just to treat the average of a groove width as an average diameter of the said through-hole.
更に、本発明の電子放出装置において、前記貫通孔の平均径は、前記エミッタ部の誘電体の粒径よりも小さい。 Further, in the electron-emitting device of the present invention, the average diameter of the through hole is not smaller than the particle size of the dielectric of the emitter section.
直下にエミッタ部の粒界を含む貫通孔(図4の破線の円A部及び粒界13a1を参照。)よりも直下にエミッタ部の粒界を含まない貫通孔(図4の破線の円B部を参照。)のほうが、より多くの電子を放出することができる。従って、上部電極の貫通孔の平均径をエミッタ部を構成する誘電体の粒径よりも小さく形成すれば、直下にエミッタ部の粒界を含まない貫通孔の数が増大するから、より多くの電子を放出することが可能となる。なお、貫通孔の径は、誘電体の粒界を含まない貫通孔を増加させるために誘電体の粒径の1/5以下(より好ましくは1/10以下、更に好ましくは1/20以下)とするとよい。 A through-hole that does not include a grain boundary in the emitter portion (see a broken-line circle B in FIG. 4) immediately below a through-hole that includes the grain boundary in the emitter portion (see the broken-line circle A portion and the grain boundary 13a1 in FIG. 4). (See section) can emit more electrons. Therefore, if the average diameter of the through holes of the upper electrode is made smaller than the grain size of the dielectric that constitutes the emitter section, the number of through holes that do not include the grain boundary of the emitter section directly increases, so that more Electrons can be emitted. The diameter of the through-hole is 1/5 or less (more preferably 1/10 or less, more preferably 1/20 or less) of the particle diameter of the dielectric in order to increase the number of through-holes not including the grain boundary of the dielectric. It is good to do.
また、前記上部電極は金属を含み、前記貫通孔は同金属の金属結晶粒により形成された気孔(金属結晶粒の形成時に互いに結合する金属結晶粒間に囲まれて形成される空間)であることが好ましい。 The upper electrode contains a metal, and the through hole is a pore formed by metal crystal grains of the same metal (a space formed between metal crystal grains that are bonded to each other when the metal crystal grains are formed). It is preferable.
金属結晶粒により形成される気孔(貫通孔)は、例えば、有機金属化合物をスクリーン印刷、スプレー塗布及びディッピング塗布等の厚膜形成法によりエミッタ部となる物質の上面に塗布・延在させ、所定の温度にて加熱することにより焼成する方法により形成される。そのような貫通孔の表面(金属の結晶粒表面)は、レーザー加工等の後からの加工により形成された貫通孔の表面に比べ、金属の結晶性が高い。従って、電子放出が行われやすいと推定される。また、金属の結晶粒表面を有する貫通孔は、金属を焼結させることにより得ることができる。従って、そのような金属の結晶粒表面を有する貫通孔を備えた電子放出装置は、貫通孔をレーザー加工等の加工により形成した場合に生じるエミッタ表面の損傷を有さない。更に、上部電極に金属結晶粒により形成された気孔(貫通孔)を備えさせれば、貫通孔を加工により形成した場合に発生する電極の微小な削り粉等が全く発生しないという利点も有する。 The pores (through-holes) formed by the metal crystal grains are formed by applying and extending an organic metal compound on the upper surface of the substance serving as the emitter portion by a thick film forming method such as screen printing, spray coating, and dipping coating. It is formed by the method of baking by heating at the temperature. The surface of such a through hole (metal crystal grain surface) has higher metal crystallinity than the surface of the through hole formed by subsequent processing such as laser processing. Therefore, it is estimated that electron emission is likely to be performed. Moreover, the through-hole which has a metal crystal grain surface can be obtained by sintering a metal. Therefore, the electron emission device provided with the through hole having such a metal crystal grain surface does not have the damage of the emitter surface that occurs when the through hole is formed by processing such as laser processing. Further, if the upper electrode is provided with pores (through-holes) formed of metal crystal grains, there is an advantage that no fine shavings or the like of the electrode generated when the through-holes are formed by processing are generated.
この場合、前記上部電極は、二種類以上の金属を含んでなることが好ましい。 In this case, it is preferable that the upper electrode includes two or more kinds of metals.
更に、前記上部電極は、銀(Ag),金(Au),イリジウム(Ir),ロジウム(Rh),ルテニウム(Ru),白金(Pt),パラジウム(Pd),アルミニウム(Al),銅(Cu),ニッケル(Ni),クロム(Cr),モリブデン(Mo),タングステン(W)及びチタン(Ti)のうちの二種類以上の金属を含んでなり、特に、白金を母材としてなることが好ましい。なお、母材とは、上部電極を構成する金属のうち重量%が最も大きい成分をいう。 Further, the upper electrode is made of silver (Ag), gold (Au), iridium (Ir), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), platinum (Pt), palladium (Pd), aluminum (Al), copper (Cu). ), Nickel (Ni), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), and titanium (Ti), and particularly preferably platinum as a base material. . In addition, a base material means the component with the largest weight% among the metals which comprise an upper electrode.
更に、本発明による電子放出装置の上部電極は、金属粒子同士が結合することにより形成される3次元網目構造を有する電極である。換言すると、本発明による電子放出装置の上部電極は、厚み方向において二個以上の金属粒子同士が化学的に結合することにより形成される多孔質体であることを特徴とする電極である。 Furthermore, the upper electrode of the electron emission device according to the present invention is an electrode having a three-dimensional network structure formed by bonding metal particles. In other words, the upper electrode of the electron-emitting device according to the present invention is an electrode characterized in that it is a porous body formed by chemically bonding two or more metal particles in the thickness direction.
ところで、上部電極とエミッタ部との間の空間に気体が存在していると、その気体は電子放出動作中にイオン化して上部電極に吸着し、上部電極からエミッタ部への電子の供給及び/又はエミッタ部に供給・蓄積された電子の上部電極の貫通孔を介する放出を阻害するようになる。 By the way, if a gas exists in the space between the upper electrode and the emitter part, the gas is ionized during the electron emission operation and adsorbed on the upper electrode, and supply of electrons from the upper electrode to the emitter part and / or Alternatively, emission of electrons supplied and stored in the emitter section through the through hole of the upper electrode is inhibited.
これに対し、上述した3次元網目状或いは多孔質体の上部電極は、上部電極とエミッタ部との間の空間と、上部電極の上方の空間と、を連通する気孔を多数備える。従って、上部電極の上方の空間を真空に近づけるように圧力を低下させると、上部電極とエミッタ部との間の空間に残存している気体分子は、その気孔を通じて上部電極の上方の空間に導かれる。これにより、上部電極とエミッタ部との間の空間に残存する気体分子の数を低減することができる。この結果、電子放出動作を繰り返しても、電子放出量が低減し難い電子放出装置が提供される。 On the other hand, the above-described upper electrode of the three-dimensional network or porous body includes a large number of pores that communicate the space between the upper electrode and the emitter portion and the space above the upper electrode. Therefore, when the pressure is lowered so that the space above the upper electrode approaches a vacuum, the gas molecules remaining in the space between the upper electrode and the emitter are guided to the space above the upper electrode through the pores. It is burned. Thereby, the number of gas molecules remaining in the space between the upper electrode and the emitter can be reduced. As a result, an electron emission device in which the amount of electron emission is hardly reduced even when the electron emission operation is repeated is provided.
また、本発明による電子放出装置の上部電極の平均開孔率は、5%以上且つ60%以下であることが好適である。その平均開孔率は、10%以上且つ60%以下であることが更に好ましく、20%以上且つ60%以下であることが一層好ましい。 In addition, the average aperture ratio of the upper electrode of the electron emission device according to the present invention is preferably 5% or more and 60% or less. The average aperture ratio is more preferably 10% or more and 60% or less, and further preferably 20% or more and 60% or less.
このような電子放出装置は、
二種類以上の金属を含む有機金属化合物を前記エミッタ部となる物質の上部に膜状に延在させてから所定の温度にまで所定の昇温速度にて昇温する昇温工程を含む工程であって同有機金属化合物を焼成することにより前記上部電極を形成する工程を有する製造方法により製造することができる。なお、本明細書において、「昇温速度」とは「上部電極となる物質の温度の上昇速度」のことである。
Such an electron emitter is
In a process including a temperature raising step in which an organometallic compound containing two or more kinds of metals extends in the form of a film over the substance serving as the emitter portion and then is heated to a predetermined temperature at a predetermined temperature increase rate. Then, the organic metal compound can be produced by a production method having a step of forming the upper electrode by firing. In the present specification, the “temperature increase rate” refers to “the temperature increase rate of the substance serving as the upper electrode”.
ここで、「二種類以上の金属を含む有機金属化合物」は、一種類の金属のみを含む有機金属化合物を二種類以上混合したもの、二種類以上の金属を含む一種類の有機金属化合物、及び、二種類以上の金属を含む一種類の有機金属化合物に他の有機金属化合物を混合したものの何れであってもよい。 Here, “organometallic compound containing two or more kinds of metals” is a mixture of two or more kinds of organometallic compounds containing only one kind of metal, one kind of organometallic compound containing two or more kinds of metals, and Any one of a mixture of one organometallic compound containing two or more metals and another organometallic compound may be used.
また、
前記二種類以上の金属を含む有機金属化合物は、母材となる所定の金属を含む有機金属化合物と、同所定の金属よりも融点の高い金属を含む有機金属化合物と、を所定の比率で混合した混合有機金属化合物であり、
前記上部電極を形成する工程は、前記混合有機金属化合物を同混合有機金属化合物に含まれる前記二種類以上の金属が単相の状態にて存在するように焼成させる工程であることが好適である。
Also,
The organometallic compound containing two or more kinds of metals is mixed at a predetermined ratio with an organometallic compound containing a predetermined metal as a base material and an organometallic compound containing a metal having a melting point higher than that of the predetermined metal. Mixed organometallic compound
The step of forming the upper electrode is preferably a step of firing the mixed organometallic compound so that the two or more kinds of metals contained in the mixed organometallic compound exist in a single phase state. .
これによれば、所定の金属を一種類のみ含む有機金属化合物を焼成させる場合に比べて、融点の高い金属の存在により単相の状態にある二種類以上の金属の粒成長が進行し難くなるので、10nm以上且つ100nm未満という微小な径の貫通孔を有する上部電極を容易に形成することができる。 According to this, compared with the case where an organometallic compound containing only one kind of a predetermined metal is fired, the presence of a metal having a high melting point makes it difficult for particle growth of two or more kinds of metals in a single phase to proceed. Therefore, it is possible to easily form an upper electrode having a through hole with a minute diameter of 10 nm or more and less than 100 nm.
一方、
前記二種類以上の金属を含む有機金属化合物は、母材となる所定の金属を含む有機金属化合物と、同所定の金属と異なる他の金属を含む有機金属化合物と、を所定の比率で混合した混合有機金属化合物であり、
前記上部電極を形成する工程は、前記混合有機金属化合物を同混合有機金属化合物に含まれる前記二種類以上の金属が混相の状態にて存在するように焼成させる工程であることも好適である。
on the other hand,
The organometallic compound containing two or more kinds of metals is prepared by mixing an organometallic compound containing a predetermined metal as a base material and an organometallic compound containing another metal different from the predetermined metal at a predetermined ratio. A mixed organometallic compound,
The step of forming the upper electrode is preferably a step of firing the mixed organometallic compound so that the two or more types of metals contained in the mixed organometallic compound are present in a mixed phase.
これによれば、加熱により、母材となる所定の金属と他の金属とが二種類以上の異なる相を形成することにより、各相を構成する金属の粒成長を互いに阻害する。この結果、10nm以上且つ100nm未満という微小な径の貫通孔を有する上部電極を形成することができる。 According to this, the predetermined metal used as a base material and another metal form two or more different phases by heating, thereby inhibiting the grain growth of the metal constituting each phase. As a result, it is possible to form an upper electrode having a through hole with a minute diameter of 10 nm or more and less than 100 nm.
更に、上記二種類以上の金属が混相の状態にて存在するように焼成させる方法の場合、前記他の金属は前記母材となる所定の金属よりも融点の低い金属であることが好適である。 Further, in the case of the firing method so that the two or more kinds of metals exist in a mixed phase state, the other metal is preferably a metal having a lower melting point than the predetermined metal serving as the base material. .
これによれば、金属粉体を焼結させる際の温度を前記母材となる所定の金属単体を焼結させるための温度と同程度の温度或いはその温度よりも低い温度とすることができるので、エミッタ部などの他の部分に熱的な損傷を与えず、また、上部電極が脆弱とならない。 According to this, since the temperature at the time of sintering the metal powder can be set to a temperature that is about the same as or lower than the temperature for sintering the predetermined single metal as the base material. The other parts such as the emitter are not thermally damaged, and the upper electrode is not weakened.
更に、二種類以上の金属を含む有機金属化合物を前記エミッタ部となる物質の上部に膜状に延在させてから所定の温度にまで所定の昇温速度にて昇温する昇温工程において、その所定の昇温速度を毎分10℃より大きい昇温速度とすることが望ましい。 Furthermore, in the temperature raising step of raising the temperature of the organometallic compound containing two or more kinds of metals to a predetermined temperature after extending in a film shape above the substance serving as the emitter part, It is desirable that the predetermined temperature increase rate be a temperature increase rate greater than 10 ° C. per minute.
上述したように、上部電極の貫通孔の径が適度に小さくできれば、一つの貫通孔から放出することができる単位面積あたりの電子の量を増大することができるとともに、電子放出装置の上面の単位面積あたりにより多くの貫通孔を形成することができる。従って、電子放出装置全体からの電子放出量をより増大することができる。 As described above, if the diameter of the through hole of the upper electrode can be appropriately reduced, the amount of electrons per unit area that can be emitted from one through hole can be increased, and the unit of the upper surface of the electron emission device can be increased. More through holes can be formed per area. Therefore, the amount of electron emission from the entire electron emission device can be further increased.
一方、実験によれば、エミッタ部の上面(上部電極が形成されているエミッタ部の表面)の形状が同一であるとすると、所定の駆動条件において上部電極の平坦性が向上するほど電子放出量を増大することができることが判明してきた。上部電極の平坦性が向上すると、図50に示したように、貫通孔204aの周部(貫通孔の縁部)であってエミッタ部202と対向する面とエミッタ部202の上面との距離の最大値をdとしたときに各貫通孔204aに対するdの平均値d1は大きくなる。上部電極の平坦性が低下すると、図51に示したように、この場合の前記最大値dの平均値d2は小さくなる(d1>d2)。これらについて実際に実験により電子放出量を測定すると、図50に示した電子放出装置の方が図51に示した電子放出装置よりも電子放出量が多くなっていることが確認された。 On the other hand, according to experiments, if the shape of the upper surface of the emitter part (the surface of the emitter part on which the upper electrode is formed) is the same, the amount of electron emission increases as the flatness of the upper electrode improves under a predetermined driving condition. It has been found that can be increased. When the flatness of the upper electrode is improved, as shown in FIG. 50, the distance between the surface of the peripheral portion of the through-hole 204a (the edge of the through-hole) that faces the emitter portion 202 and the upper surface of the emitter portion 202 is increased. When the maximum value is set to d, the average value d1 of d with respect to each through-hole 204a becomes large. When the flatness of the upper electrode is lowered, as shown in FIG. 51, the average value d2 of the maximum value d in this case becomes smaller (d1> d2). When the electron emission amount was actually measured for these, it was confirmed that the electron emission device shown in FIG. 50 had a larger electron emission amount than the electron emission device shown in FIG.
他方、上部電極204を構成する部材の焼成温度を高くすると、上部電極204の平坦性が向上することも確認された。これは、焼成温度が高いことにより、金属の粒成長が起こって上部電極204を構成する部材が収縮するためであると推定される。ところが、焼成温度が高いと、金属の粒成長に伴い貫通孔同士も大きくなり且つ貫通孔204aの数が減少してしまう。その結果、上部電極204の平坦性が向上する一方で貫通孔204aの径が大きくなり且つ貫通孔204aの数(密度)が減少してしまうので、電子放出量が増大しない。 On the other hand, it was also confirmed that the flatness of the upper electrode 204 is improved when the firing temperature of the member constituting the upper electrode 204 is increased. It is presumed that this is because, due to the high firing temperature, metal grain growth occurs and the members constituting the upper electrode 204 contract. However, if the firing temperature is high, the through-holes become larger and the number of through-holes 204a decreases as the metal grains grow. As a result, the flatness of the upper electrode 204 is improved, while the diameter of the through hole 204a is increased and the number (density) of the through holes 204a is decreased, so that the amount of electron emission does not increase.
そこで、本発明者は種々の実験を行った結果、上部電極を焼成する際の昇温速度を大きくすると焼成温度を高くして金属の粒成長を促進せずとも、上部電極の平坦性を向上することができることを見出した。また、同時に貫通孔の数を増大させることができることも見出した。 Therefore, as a result of various experiments, the present inventor has improved the flatness of the upper electrode without increasing the firing temperature and promoting the grain growth of the metal by increasing the heating rate when firing the upper electrode. Found that you can. It has also been found that the number of through holes can be increased at the same time.
そこで、発明者は、二種類以上の金属を含む有機金属化合物を焼成する場合に適切な昇温工程における昇温速度を検討したところ、昇温速度を毎分10℃より大きくすることが望ましいという知見を得た(図32を参照。)。これにより、電子放出量の大きい電子放出装置を製造することができるようになった。 Therefore, the inventor examined the temperature increase rate in an appropriate temperature increase step when firing an organometallic compound containing two or more kinds of metals, and said that it is desirable to increase the temperature increase rate above 10 ° C. per minute. Knowledge was obtained (see FIG. 32). As a result, an electron emission device having a large electron emission amount can be manufactured.
また、そのような昇温工程は、その昇温工程中に前記有機金属化合物の分解過程が含まれる工程であるということができる。昇温工程中に前記有機金属化合物の熱分解の過程(分解過程)が含まれれば、上部電極の平坦性の向上及び貫通孔の数の増大を両立することができる。 Moreover, it can be said that such a temperature raising process is a process in which the decomposition process of the organometallic compound is included in the temperature raising process. If the pyrolysis process (decomposition process) of the organometallic compound is included in the temperature raising step, it is possible to improve both the flatness of the upper electrode and increase the number of through holes.
以上においては、二種類以上の金属を含む有機金属化合物を用いて電子放出装置の上部電極を製造する場合について述べた。これに対し、一種類の金属を含む有機金属化合物を用いて上部電極を製造する場合には、その有機金属化合物をエミッタ部となる物質の上部に膜状に延在させてから所定の温度にまで毎分100℃より大きい昇温速度にて昇温する昇温工程を含む工程であって同有機金属化合物を焼成する工程によって前記上部電極を形成することが好適である(図32を参照。)。これによっても、電子放出量の大きい電子放出装置を製造することができる。 In the above, the case where the upper electrode of an electron-emitting device is manufactured using an organometallic compound containing two or more kinds of metals has been described. On the other hand, when an upper electrode is manufactured using an organometallic compound containing one kind of metal, the organometallic compound is made to extend in the form of a film on the upper part of the substance that becomes the emitter portion, and then is heated to a predetermined temperature. It is preferable that the upper electrode is formed by a step including a temperature raising step of raising the temperature at a rate of temperature higher than 100 ° C. per minute until the organometallic compound is baked (see FIG. 32). ). This also makes it possible to manufacture an electron emission device with a large amount of electron emission.
この場合にも、前記昇温工程は、同昇温工程中に前記有機金属化合物の熱分解の過程が含まれる工程であることが望ましい。昇温工程中に前記有機金属化合物の熱分解の過程が含まれれば、上部電極の平坦性の向上及び貫通孔の数の増大を両立することができる。また、同時に貫通孔の径を微細化することができる。 Also in this case, the temperature raising step is preferably a step in which a pyrolysis process of the organometallic compound is included in the temperature raising step. If the process of thermal decomposition of the organometallic compound is included in the temperature raising step, it is possible to simultaneously improve the flatness of the upper electrode and increase the number of through holes. At the same time, the diameter of the through hole can be reduced.
更に、前記一種類の金属を含む有機金属化合物は、白金の有機金属化合物であることが好適である。 Furthermore, the organometallic compound containing one kind of metal is preferably an organometallic compound of platinum.
本発明の電子放出装置の目的の一つは、電子放出促進層をエミッタ部の上面に形成することにより、電子放出量の大きな電子放出装置を提供することである。 One of the objects of the electron emission device of the present invention is to provide an electron emission device having a large electron emission amount by forming an electron emission promoting layer on the upper surface of the emitter portion.
より具体的に述べると、本発明の電子放出装置は、
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、前記エミッタ部を挟んで前記下部電極に対向するように同エミッタ部の上部に形成された上部電極と、を備え、前記下部電極と前記上部電極との間に駆動電圧が付与されることにより前記エミッタ部から同上部電極を介して電子を放出する電子放出装置において、
前記上部電極は、前記エミッタ部を露出する貫通孔を複数備えるとともに、同貫通孔の周部であって同エミッタ部と対向する面が同エミッタ部から所定の距離だけ離間しているように形成されるとともに、
前記エミッタ部の上面であって前記上部電極と前記所定の距離だけ離間している部分及び/又は同エミッタ部の上面であって前記貫通孔により外部に露出している部分に前記放出される電子量を増大する電子放出促進層を備えたことを特徴とする電子放出装置である。
More specifically, the electron emission device of the present invention is:
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 so as to face the lower electrode with the emitter portion interposed therebetween. In the electron emission device that emits electrons from the emitter through the upper electrode by applying a driving voltage between the lower electrode and the upper electrode,
The upper electrode includes a plurality of through-holes that expose the emitter portion, and is formed such that a surface that is a peripheral portion of the through-hole and faces the emitter portion is separated from the emitter portion by a predetermined distance. As
The electrons emitted to the upper surface of the emitter section that is separated from the upper electrode by the predetermined distance and / or the upper surface of the emitter section and exposed to the outside through the through hole. An electron emission device including an electron emission promoting layer that increases the amount.
この場合、前記電子放出促進層は、シリコンを含む化合物からなっていることが望ましい。また、前記電子放出促進層は、ファイバー状であることが望ましい。 In this case, the electron emission promoting layer is preferably made of a compound containing silicon. The electron emission promoting layer is preferably in the form of a fiber.
かかる電子放出促進層は、絶縁体、半導体及び導体のいずれであってもよく、それぞれ、以下のように機能して電子放出量を増大させる。 Such an electron emission promoting layer may be any of an insulator, a semiconductor, and a conductor, and functions as follows to increase the amount of electron emission.
(電子放出促進層が絶縁体からなる場合)
エミッタ部の分極反転により電子が放出される際、エミッタ部の表面の電子の一部はエミッタ部の上部(エミッタ部の表面抵抗が生じている部分)に沿って移動し、エミッタ部と上部電極とが接触している部分にて上部電極に回収されてしまう。電子放出促進層が絶縁体であれば、エミッタ部の上面の近傍における同上面に沿った方向の抵抗率(ここでは、「表面抵抗率」とも称呼する。)が高くなるので、このような上部電極に回収される電子の割合が低下する。その結果、電子放出量が増大する。
(When the electron emission promoting layer is made of an insulator)
When electrons are emitted by the polarization inversion of the emitter part, a part of the electrons on the surface of the emitter part moves along the upper part of the emitter part (the part where the surface resistance of the emitter part is generated), and the emitter part and the upper electrode Is recovered by the upper electrode at the part where the contact is made. If the electron emission promoting layer is an insulator, the resistivity in the direction along the upper surface in the vicinity of the upper surface of the emitter portion (herein also referred to as “surface resistivity”) is increased. The proportion of electrons collected by the electrode decreases. As a result, the amount of electron emission increases.
また、電子放出促進層が絶縁体であり、且つ、ファイバー状であると、エミッタ部の上面の表面積が増大する。その結果、蓄積できる電子量が増大し、電子放出量が増大する。 Further, when the electron emission promoting layer is an insulator and has a fiber shape, the surface area of the upper surface of the emitter portion increases. As a result, the amount of electrons that can be accumulated increases and the amount of electron emission increases.
(電子放出促進層が半導体あるいは導体からなる場合)
半導体あるいは導体の電子放出促進層が存在していない場合のエミッタ部と同エミッタ部に蓄積されている電子との間の親和力よりも、半導体あるいは導体の電子放出促進層と同エミッタ部に蓄積されている電子との間の親和力の方が小さくなる。これにより、エミッタ部の分極反転によって電子が放出されるとき、その電子に与えられるエネルギーが大きくなる。その結果、貫通孔を通過しようとするときに上部電極に回収されてしまう電子の割合が減少し、電子放出量が増大する。
(When the electron emission promoting layer is made of semiconductor or conductor)
When the electron emission promoting layer of the semiconductor or conductor is not present, the affinity between the emitter and the electron accumulated in the emitter is higher than that in the semiconductor or conductor. Affinity between the electrons and the electrons is smaller. Thereby, when electrons are emitted by the polarization inversion of the emitter portion, the energy given to the electrons increases. As a result, the proportion of electrons collected by the upper electrode when attempting to pass through the through hole is reduced, and the amount of electron emission is increased.
また、電子放出促進層が半導体あるいは導体であり、且つ、ファイバー状であると、電子放出促進層(特に、ファイバー先端)に電界が集中する。これにより、エミッタ部の上部に蓄積されていた電子のうち、分極反転により放出される電子の割合が増大する。この結果、電子放出量が増大する。この場合、電子放出促進層が、仕事関数の小さい導体あるいは電子親和力の小さい半導体からなっていれば、それぞれ電子放出量を効果的に増大することができる。 Further, when the electron emission promoting layer is a semiconductor or a conductor and has a fiber shape, the electric field concentrates on the electron emission promoting layer (particularly, the fiber tip). This increases the proportion of electrons emitted by polarization reversal among the electrons accumulated in the upper part of the emitter section. As a result, the amount of electron emission increases. In this case, if the electron emission promoting layer is made of a conductor having a low work function or a semiconductor having a low electron affinity, the amount of electron emission can be effectively increased.
以下、本発明による電子放出装置及びその製造方法の各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、電子照射線装置、光源及び電子部品製造装置等の種々の装置に適用することができるが、以下の説明においてはディスプレイに適用されている。 Embodiments of an electron emission device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The electron emission device can be applied to various devices such as an electron irradiation device, a light source, and an electronic component manufacturing device, but is applied to a display in the following description.
(構造)
図1乃至図3に示したように、本発明の実施形態に係る電子放出装置10は、基板11、複数の下部電極(下部電極層)12、エミッタ部13、複数の上部電極(上部電極層)14、絶縁層15及び複数の集束電極(集束電極層)16を備えている。なお、図1は、電子放出装置10の部分平面図である図3の1−1線に沿った平面にて電子放出装置10を切断した断面図、図2は図3の2−2線に沿った平面にて電子放出装置10を切断した断面図である。
(Construction)
As shown in FIGS. 1 to 3, the electron emission device 10 according to the embodiment of the present invention includes a substrate 11, a plurality of lower electrodes (lower electrode layers) 12, an emitter section 13, and a plurality of upper electrodes (upper electrode layers). ) 14, an insulating layer 15 and a plurality of focusing electrodes (focusing electrode layers) 16. 1 is a sectional view of the electron emission device 10 cut along a plane along line 1-1 of FIG. 3, which is a partial plan view of the electron emission device 10, and FIG. 2 is taken along line 2-2 of FIG. It is sectional drawing which cut | disconnected the electron emission apparatus 10 in the plane along.
基板11は、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板体である。基板11は、ガラス又はセラミック材料からなっている。このセラミック材料としては、例えば、酸化ジルコニウムを主成分とする材料、酸化アルミニウムを主成分とする材料、或いは、酸化アルミニウム及び酸化ジルコニウムとの混合物を主成分とする材料から構成されてもよい。 The substrate 11 has an upper surface and a lower surface parallel to a plane (XY plane) formed by the X axis and the Y axis orthogonal to each other, and the thickness direction is in the Z axis direction orthogonal to the X axis and the Y axis. It is the board which has. The substrate 11 is made of glass or a ceramic material. The ceramic material may be composed of, for example, a material mainly composed of zirconium oxide, a material mainly composed of aluminum oxide, or a material mainly composed of a mixture of aluminum oxide and zirconium oxide.
下部電極12のそれぞれは、後述する導電性物質からなり、基板11の上面の上に層状に形成されている。各下部電極12の平面視における形状はY軸方向に長手方向を有する帯状である。図1に示したように、互いに隣接する二つの下部電極12は、X軸方向において所定の距離だけ離れた位置に形成されている。図1において、符合12−1、12−2及び12−3が付された下部電極12は、便宜上、第1下部電極、第2下部電極及び第3下部電極とそれぞれ称呼される。 Each of the lower electrodes 12 is made of a conductive material, which will be described later, and is formed in layers on the upper surface of the substrate 11. The shape of each lower electrode 12 in plan view is a strip shape having a longitudinal direction in the Y-axis direction. As shown in FIG. 1, the two lower electrodes 12 adjacent to each other are formed at positions separated by a predetermined distance in the X-axis direction. In FIG. 1, the lower electrodes 12 denoted by reference numerals 12-1, 12-2 and 12-3 are referred to as a first lower electrode, a second lower electrode and a third lower electrode, respectively, for convenience.
エミッタ部13は、比誘電率が大きい誘電体(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。材質については後述する。)からなり、基板11の上面及び下部電極12の上面の上に形成されている。エミッタ部13は、X−Y平面に平行な上面及び下面を有し、Z軸方向に厚み方向を有する薄板体である。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13a1による凹凸13aが形成されている。 The emitter section 13 is a dielectric having a high relative dielectric constant (for example, a three-component material PMN-PT-PZ of lead magnesium niobate (PMN), lead titanate (PT) and lead zirconate (PZ). It is formed on the upper surface of the substrate 11 and the upper surface of the lower electrode 12. The emitter section 13 is a thin plate body having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane and having a thickness direction in the Z-axis direction. On the upper surface of the emitter section 13, as shown in an enlarged view in FIG. 4, irregularities 13 a are formed by dielectric grain boundaries 13 a 1.
上部電極14のそれぞれは、後述する導電性物質からなり、エミッタ部13の上面の上に層状に形成されている。各上部電極14の平面視における形状は、図3に示したように、X軸方向及びY軸方向にそれぞれ沿った短辺及び長辺を有する長方形である。複数の上部電極14は互いに離間し、マトリクス状に配列されている。 Each of the upper electrodes 14 is made of a conductive material, which will be described later, and is formed in layers on the upper surface of the emitter section 13. The shape of each upper electrode 14 in plan view is a rectangle having a short side and a long side along the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively, as shown in FIG. The plurality of upper electrodes 14 are separated from each other and arranged in a matrix.
上部電極14のそれぞれは、下部電極12のそれぞれに対向し、平面視において下部電極12のそれぞれに重なる位置に配設されている。図1及び図3において、符合14−1、14−2及び14−3が付された上部電極14は、便宜上、第1上部電極、第2上部電極及び第3上部電極とそれぞれ称呼される。また、X軸方向に配列された複数の上部電極14同士は図示しない導体により接続され、同電位に維持されるようになっている。なお、電子放出の安定化及び電極やエミッタ部の保護を目的として、各々の上部電極に隣接して抵抗体を形成し、それを介して導体と接続してもよい。 Each of the upper electrodes 14 faces each of the lower electrodes 12 and is disposed at a position overlapping with each of the lower electrodes 12 in plan view. In FIG. 1 and FIG. 3, the upper electrodes 14 denoted by reference numerals 14-1, 14-2 and 14-3 are respectively referred to as a first upper electrode, a second upper electrode and a third upper electrode for convenience. The plurality of upper electrodes 14 arranged in the X-axis direction are connected by a conductor (not shown) and are maintained at the same potential. For the purpose of stabilizing electron emission and protecting the electrode and the emitter, a resistor may be formed adjacent to each upper electrode and connected to a conductor through the resistor.
上部電極14のそれぞれには、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。貫通孔14aの正面視における形状は略円形である。貫通孔14aの平均径は10nm以上、且つ、100nm未満である。 As shown in FIG. 4 and FIG. 5 which is a partially enlarged plan view of the upper electrode 14, a plurality of fine through holes 14 a are formed in each of the upper electrodes 14. The shape of the through hole 14a in a front view is a substantially circular shape. The average diameter of the through holes 14a is 10 nm or more and less than 100 nm.
ここで、貫通孔の平均径とは、貫通孔の形状が円形であればその円形の直径と等しく、貫通孔の形状が円形でなければ貫通孔の中心を通るそれぞれ異なる複数の線分の長さの平均として定義される。貫通孔の形状は、円形である必要はなく、三角形、楕円形、長円形及び細い溝状(スリット形状)等であってもよい。なお、貫通孔の形状が細い溝状である場合、実質的に独立した貫通孔とみなせる部分の平均径を上記貫通孔の平均径として扱えばよく、溝幅が略一定である場合には、溝幅の平均を上記貫通孔の平均径として扱えばよい。なお、例えば、貫通孔の正面形状の重心がその貫通孔の内側に存在する場合、貫通孔の中心は貫通孔の重心であると規定する。 Here, the average diameter of the through-holes is equal to the diameter of the through-hole if the shape of the through-hole is circular, and is the length of a plurality of different line segments passing through the center of the through-hole if the shape of the through-hole is not circular. It is defined as the average. The shape of the through hole does not have to be a circle, and may be a triangle, an ellipse, an oval, a thin groove (slit shape), or the like. In addition, when the shape of the through hole is a thin groove shape, the average diameter of the portion that can be regarded as a substantially independent through hole may be treated as the average diameter of the through hole, and when the groove width is substantially constant, What is necessary is just to treat the average of a groove width as an average diameter of the said through-hole. For example, when the center of gravity of the front shape of the through hole exists inside the through hole, the center of the through hole is defined as the center of gravity of the through hole.
上部電極14に形成される貫通孔の形状は、上記貫通孔14aのような略円形に限らず、図6乃至図10に示したように、略楕円形14b及び略長円形(トラック形状)14c等の曲線部分を主とした形状、略三角形14d及び略四角形14e等の直線部分を主とした形状及び幅狭の溝状(スリット)14fであってもよい。また、三日月形状及びブーメラン形状等であってもよい。 The shape of the through-hole formed in the upper electrode 14 is not limited to the substantially circular shape as in the above-described through-hole 14a, and as shown in FIGS. 6 to 10, the substantially elliptical shape 14b and the substantially elliptical shape (track shape) 14c. For example, the shape may be a shape mainly including a curved portion, a shape mainly including a straight portion such as a substantially triangle 14d and a substantially square 14e, and a narrow groove shape (slit) 14f. Moreover, a crescent moon shape, a boomerang shape, etc. may be sufficient.
図10に示した幅狭の溝状の貫通孔14fの場合、くびれ部14f1が存在している。従って、貫通孔14fは、略長方形の貫通孔14f2が複数個連続したものとみなすことができる。そのため、貫通孔14fの平均径は、個々の長方形の貫通孔14f2の平均径と等しいと定義される。幅狭の溝状の貫通孔がこのようなくびれ部を有していない場合、その貫通孔の幅(スリット幅)を上述した平均径であるとみなす。この溝状の貫通孔に適用される事項は、貫通孔の形状が三日月形状及びブーメラン形状等のように曲線的な溝状である場合にも同様に適用される。 In the case of the narrow groove-shaped through hole 14f shown in FIG. 10, a constricted portion 14f1 exists. Therefore, the through-hole 14f can be regarded as a plurality of substantially rectangular through-holes 14f2. Therefore, the average diameter of the through holes 14f is defined as being equal to the average diameter of the individual rectangular through holes 14f2. When the narrow groove-shaped through hole does not have such a constricted portion, the width (slit width) of the through hole is regarded as the above-described average diameter. The matter applied to the groove-shaped through hole is similarly applied to the case where the shape of the through hole is a curved groove shape such as a crescent moon shape or a boomerang shape.
このような貫通孔(貫通孔14a等)の平均径は、エミッタ部13の誘電体の粒径よりも小さいことが望ましい。直下にエミッタ部の粒界13a1を含む貫通孔(図4の破線の円A部を参照。)よりも直下にエミッタ部の粒界を含まない貫通孔(図4の破線の円B部を参照。)のほうが、より多くの電子を放出することができる。従って、上部電極14の貫通孔14aの平均径をエミッタ部13を構成する誘電体の粒径よりも小さく形成すれば、直下にエミッタ部13の粒界を含まない貫通孔14aの数が増大するから、より多くの電子を放出することが可能となる。なお、貫通孔14aの径は、エミッタ部13の誘電体の粒界を含まない貫通孔を増加させるために同誘電体の粒径の1/5以下(より好ましくは1/10以下、更に好ましくは1/20以下)とするとよい。 The average diameter of such through-holes (through-holes 14a and the like) is desirably smaller than the particle diameter of the dielectric of the emitter section 13. A through-hole that does not include a grain boundary in the emitter portion immediately below the through-hole (see the broken-line circle A portion in FIG. 4) that includes the grain boundary 13a1 in the emitter portion (see the broken-line circle B portion in FIG. 4). .) Can emit more electrons. Therefore, if the average diameter of the through holes 14a of the upper electrode 14 is made smaller than the particle diameter of the dielectric that constitutes the emitter section 13, the number of through holes 14a that do not include the grain boundary of the emitter section 13 directly increases. Therefore, more electrons can be emitted. The diameter of the through hole 14a is 1/5 or less (more preferably 1/10 or less, more preferably) of the particle diameter of the dielectric to increase the number of through holes not including the grain boundary of the dielectric of the emitter section 13. Is 1/20 or less).
また、このような貫通孔14aは、金属の金属結晶粒により形成された気孔(金属結晶粒の形成時に互いに結合する金属結晶粒間に囲まれて形成される空間)であることが好ましい。 Such through-holes 14a are preferably pores formed by metal metal crystal grains (a space formed by being surrounded by metal crystal grains that are bonded to each other when the metal crystal grains are formed).
金属結晶粒により形成された気孔(貫通孔14a)は、例えば、後述するように、有機金属化合物をスクリーン印刷、スプレー塗布及びディッピング塗布等の厚膜形成法によりエミッタ部となる物質の上面に塗布・延在させ、所定の温度にて加熱することにより焼成する方法により形成され、その表面(金属の結晶粒表面)は、レーザー加工等によって後からの加工により形成された貫通孔の表面に比べ、結晶性が高い(金属表面の結晶性が高い)。従って、電子放出が行われやすいと推定される。また、金属の結晶粒表面を有する貫通孔は、金属を焼結させることにより得ることができる。従って、そのような金属の結晶粒表面を有する貫通孔を備えた電子放出装置は、貫通孔をレーザー加工等によって加工した場合に生じるエミッタ表面の損傷を有さない。更に、上部電極に金属結晶粒により形成された気孔(貫通孔)を備えさせれば、貫通孔を加工により形成した場合に発生する電極の微小な削り粉等が全く発生しないという利点も有する。 The pores (through holes 14a) formed by the metal crystal grains are coated on the upper surface of the substance to be the emitter portion by a thick film forming method such as screen printing, spray coating, and dipping coating, as will be described later.・ It is formed by a method of extending and firing by heating at a predetermined temperature, and its surface (metal crystal grain surface) is compared with the surface of the through-hole formed by later processing by laser processing etc. High crystallinity (high crystallinity on the metal surface). Therefore, it is estimated that electron emission is likely to be performed. Moreover, the through-hole which has a metal crystal grain surface can be obtained by sintering a metal. Therefore, an electron emission device having a through-hole having such a metal crystal grain surface has no damage to the emitter surface that occurs when the through-hole is processed by laser processing or the like. Further, if the upper electrode is provided with pores (through-holes) formed of metal crystal grains, there is an advantage that no fine shavings or the like of the electrode generated when the through-holes are formed by processing are generated.
一方、図11に示したように、上部電極14の厚みtは、0.01μm以上且つ10μm以下であり、好ましくは、0.05μm以上且つ1μm以下である。また、貫通孔14a(14b〜14f)の周部(貫通孔の縁部)であってエミッタ部13と対向する面とエミッタ部13(エミッタ部13の上面)との距離の最大値dは0μmより大きく且つ10μm以下であり、好ましくは、0.01μm以上且つ1μm以下である。 On the other hand, as shown in FIG. 11, the thickness t of the upper electrode 14 is 0.01 μm or more and 10 μm or less, preferably 0.05 μm or more and 1 μm or less. The maximum value d of the distance between the surface of the through hole 14a (14b to 14f) (the edge of the through hole) facing the emitter 13 and the emitter 13 (the upper surface of the emitter 13) is 0 μm. It is larger and is 10 μm or less, preferably 0.01 μm or more and 1 μm or less.
ところで、平面視において上部電極14と下部電極12とが重なった部分は電子放出のための一つの素子を形成していることになる。例えば、図1に示した装置においては、第1下部電極12−1、第1上部電極14−1及び第1下部電極12−1と第1上部電極14−1とにより挟まれたエミッタ部13は、第1の素子を構成している。また、第2下部電極12−2、第2上部電極14−2及び第2下部電極12−2と第2上部電極14−2とにより挟まれたエミッタ部13は、第2の素子を構成している。更に、第3下部電極12−3、第3上部電極14−3及び第3下部電極12−3と第3上部電極14−3とにより挟まれたエミッタ部13は、第3の素子を構成している。このように、電子放出装置10は、複数の独立した電子放出素子を備えている。換言すれば、電子放出装置は電子放出素子であると云うこともできる。 By the way, the portion where the upper electrode 14 and the lower electrode 12 overlap in a plan view forms one element for electron emission. For example, in the apparatus shown in FIG. 1, the first lower electrode 12-1, the first upper electrode 14-1, and the emitter section 13 sandwiched between the first lower electrode 12-1 and the first upper electrode 14-1. Constitutes a first element. The emitter section 13 sandwiched between the second lower electrode 12-2, the second upper electrode 14-2, the second lower electrode 12-2, and the second upper electrode 14-2 constitutes a second element. ing. Furthermore, the emitter section 13 sandwiched between the third lower electrode 12-3, the third upper electrode 14-3, the third lower electrode 12-3, and the third upper electrode 14-3 constitutes a third element. ing. Thus, the electron emission device 10 includes a plurality of independent electron emission elements. In other words, the electron-emitting device can be said to be an electron-emitting device.
図1乃至図3を再び参照すると、絶縁層15は、エミッタ部13の上面の上に、複数の上部電極14の間を埋めるように形成されている。絶縁層15の厚み(Z軸方向長さ)は、上部電極14の厚み(Z軸方向長さ)より大きくなっている。図1及び図2に示したように、各絶縁層15のX軸及びY軸方向端部は、上部電極14のX軸方向両端部及びY軸方向両端部の上に配置されている。 Referring again to FIGS. 1 to 3, the insulating layer 15 is formed on the upper surface of the emitter section 13 so as to fill a space between the plurality of upper electrodes 14. The thickness of the insulating layer 15 (length in the Z-axis direction) is larger than the thickness (length in the Z-axis direction) of the upper electrode 14. As shown in FIGS. 1 and 2, the X-axis and Y-axis direction ends of each insulating layer 15 are disposed on the X-axis direction both ends and the Y-axis direction both ends of the upper electrode 14.
集束電極16は、導電性物質(ここでは、銀)からなり、絶縁層15の上に層状に形成されている。図3に示したように、各集束電極16の平面視における形状はY軸方向に長手方向を有する帯状である。各集束電極16は、平面視においてX軸方向にて互いに隣接する上部電極14の間(X軸方向に互いに隣接している素子の各上部電極の間であって、各上部電極の斜め上方(上方とはZ軸正方向のことであり、以下、同じ。)、即ち、電子放出方向に僅かに離間した位置)に形成されている。総ての集束電極16は、図示しない導体からなる層により互いに接続され、同電位に維持されるようになっている。 The focusing electrode 16 is made of a conductive material (here, silver), and is formed in a layer shape on the insulating layer 15. As shown in FIG. 3, the shape of each focusing electrode 16 in plan view is a strip shape having a longitudinal direction in the Y-axis direction. Each focusing electrode 16 is located between the upper electrodes 14 adjacent to each other in the X-axis direction in plan view (between the upper electrodes of elements adjacent to each other in the X-axis direction, and obliquely above each upper electrode ( The upper direction means the positive direction of the Z-axis, and the same applies hereinafter)), that is, a position slightly spaced in the electron emission direction. All the focusing electrodes 16 are connected to each other by a layer made of a conductor (not shown) and are maintained at the same potential.
なお、図1及び図3において、符合16−1、16−2及び16−3が付された集束電極16は、便宜上、第1集束電極、第2集束電極及び第3集束電極とそれぞれ称呼される。この称呼方法を利用すると、第2集束電極16−2は第1の素子の第1上部電極14−1と第2の素子の第2上部電極14−2との間であって、第1上部電極14−1及び第2上部電極14−2の斜め上方に形成されていると言える。同様に、第3集束電極16−3は第2の素子の第2上部電極14−2と第3の素子の第3上部電極14−3との間であって、第2上部電極14−2及び第3上部電極14−3の斜め上方に形成されていると言える。 In FIGS. 1 and 3, the focusing electrodes 16 denoted by reference numerals 16-1, 16-2, and 16-3 are respectively referred to as a first focusing electrode, a second focusing electrode, and a third focusing electrode for convenience. The Using this naming method, the second focusing electrode 16-2 is between the first upper electrode 14-1 of the first element and the second upper electrode 14-2 of the second element, and the first upper electrode 14-2 It can be said that it is formed obliquely above the electrode 14-1 and the second upper electrode 14-2. Similarly, the third focusing electrode 16-3 is between the second upper electrode 14-2 of the second element and the third upper electrode 14-3 of the third element, and the second upper electrode 14-2. And it can be said that it is formed obliquely above the third upper electrode 14-3.
この電子放出装置10は、更に、透明板17、コレクタ電極(コレクタ電極層)18及び蛍光体19を備えている。 The electron emission device 10 further includes a transparent plate 17, a collector electrode (collector electrode layer) 18, and a phosphor 19.
透明板17は、透明な材質(ここでは、ガラス又はアクリル製)からなっていて、上部電極14の上方(Z軸正方向)に所定の距離だけ離れた位置に形成されている。透明板17は、基板11に対向し、その上面及び下面がエミッタ部13の上面及び上部電極14の上面と平行(X−Y平面内)となるように配設されている。 The transparent plate 17 is made of a transparent material (here, made of glass or acrylic), and is formed at a position above the upper electrode 14 (Z-axis positive direction) by a predetermined distance. The transparent plate 17 faces the substrate 11 and is disposed so that the upper and lower surfaces thereof are parallel to the upper surface of the emitter section 13 and the upper surface of the upper electrode 14 (in the XY plane).
コレクタ電極18は、導電性物質(ここでは、透明導電膜,ITO)からなっていて、透明板17の下面全体に層状に形成されている。即ち、コレクタ電極18は、各上部電極14の上部において各上部電極14に対向するように配設されている。 The collector electrode 18 is made of a conductive material (here, transparent conductive film, ITO), and is formed in a layer shape on the entire lower surface of the transparent plate 17. That is, the collector electrode 18 is disposed above the upper electrode 14 so as to face the upper electrode 14.
蛍光体19のそれぞれは、電子の照射により励起され、赤、緑及青色の何れかの光を発するようになっている。各蛍光体19は、平面視において各上部電極14と略同一の形状を備え、各上部電極14と重なる位置に配設されている。図1において、符合19R、19G及び19Bが付された蛍光体19は、赤色、緑色及び青色をそれぞれ発光するようになっている。従って、本例においては、赤色蛍光体19Rは第1上部電極14−1の直上部(Z軸正方向)に位置し、緑色蛍光体19Gは第2上部電極14−2の直上部に位置し、青色蛍光体19Bは第3上部電極14−3の直上部に位置している。なお、エミッタ部13、上部電極14、絶縁層15、集束電極16及び透明板17(コレクタ電極18)により囲まれた空間は略真空(102〜10−6Paが好ましく、より好ましくは10−3〜10−5Pa)に維持されている。 Each of the phosphors 19 is excited by electron irradiation and emits one of red, green, and blue light. Each phosphor 19 has substantially the same shape as each upper electrode 14 in a plan view, and is disposed at a position overlapping each upper electrode 14. In FIG. 1, the phosphors 19 denoted by reference numerals 19R, 19G, and 19B emit red, green, and blue, respectively. Accordingly, in this example, the red phosphor 19R is located immediately above the first upper electrode 14-1 (Z-axis positive direction), and the green phosphor 19G is located immediately above the second upper electrode 14-2. The blue phosphor 19B is located immediately above the third upper electrode 14-3. The space surrounded by the emitter section 13, the upper electrode 14, the insulating layer 15, the focusing electrode 16 and the transparent plate 17 (collector electrode 18) is preferably substantially vacuum (10 2 to 10 −6 Pa, more preferably 10 −. 3 to 10 −5 Pa).
換言すると、透明板17及びコレクタ電極18は、図示しない電子放出装置10の側壁部とともに密閉空間を形成する空間形成部材を構成している。そして、この密閉空間は略真空に維持されている。従って、電子放出装置10の素子(少なくとも各素子のエミッタ部13の上部と上部電極14)は、空間形成部材により略真空状態に維持されている密閉空間内に配置されていることになる。 In other words, the transparent plate 17 and the collector electrode 18 constitute a space forming member that forms a sealed space together with a side wall portion of the electron emission device 10 (not shown). The sealed space is maintained in a substantially vacuum. Therefore, the elements of the electron emission device 10 (at least the upper part of the emitter section 13 and the upper electrode 14 of each element) are arranged in a sealed space maintained in a substantially vacuum state by the space forming member.
加えて、電子放出装置10は、図1に示したように、駆動電圧付与回路(駆動電圧付与手段)21と、集束電極電位付与回路(集束電極電位差付与手段)22と、コレクタ電圧付与回路(コレクタ電圧付与手段)23と、を備えている。 In addition, as shown in FIG. 1, the electron emission device 10 includes a driving voltage applying circuit (driving voltage applying means) 21, a focusing electrode potential applying circuit (focusing electrode potential difference applying means) 22, and a collector voltage applying circuit ( Collector voltage applying means) 23.
駆動電圧付与回路21は、信号制御回路100及び電源回路110に接続されていていて、信号制御回路100からの信号に基づいて互いに対向する上部電極14と下部電極12との間(素子)に駆動電圧Vinを付与するようになっている。 The drive voltage application circuit 21 is connected to the signal control circuit 100 and the power supply circuit 110, and is driven between the upper electrode 14 and the lower electrode 12 (elements) facing each other based on a signal from the signal control circuit 100. A voltage Vin is applied.
集束電極電位付与回路22は、集束電極16に接続されていて、集束電極16に所定の負の電位(電圧)Vsを付与するようになっている。コレクタ電圧付与回路23は、コレクタ電極18に所定の正の電圧(コレクタ電圧)Vcを付与するようになっている。 The focusing electrode potential applying circuit 22 is connected to the focusing electrode 16 and applies a predetermined negative potential (voltage) Vs to the focusing electrode 16. The collector voltage applying circuit 23 applies a predetermined positive voltage (collector voltage) Vc to the collector electrode 18.
(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一つの素子に着目して説明する。
(Principle and operation of electron emission)
Next, the operation principle regarding the electron emission of the electron emission device 10 configured as described above will be described by paying attention to one element.
先ず、図12に示したように、下部電極12の電位を基準とした下部電極12と上部電極14の実際の電位差Vka(即ち、素子電圧Vka)が正の所定電圧Vpに維持され、エミッタ部13の上部に蓄積された電子が総て放出した直後であって、電子がエミッタ部13の上部に蓄積されていない状態から説明を開始する。このとき、エミッタ部13の双極子の負極はエミッタ部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。この状態は、図13に示したグラフ上の点p1の状態である。図13のグラフは、横軸に素子電圧Vkaをとり、縦軸に素子に蓄積された電荷Qをとったエミッタ部13の電圧−分極特性のグラフである。 First, as shown in FIG. 12, the actual potential difference Vka (that is, the element voltage Vka) between the lower electrode 12 and the upper electrode 14 with respect to the potential of the lower electrode 12 is maintained at a positive predetermined voltage Vp, and the emitter section The description starts from a state immediately after all the electrons accumulated in the upper portion of 13 are emitted and no electrons are accumulated in the upper portion of the emitter section 13. At this time, the negative pole of the dipole of the emitter section 13 is in a state facing the upper surface of the emitter section 13 (Z-axis positive direction, that is, the upper electrode 14 side). This state is the state of the point p1 on the graph shown in FIG. The graph of FIG. 13 is a graph of voltage-polarization characteristics of the emitter section 13 in which the horizontal axis represents the element voltage Vka and the vertical axis represents the charge Q accumulated in the element.
この状態において、駆動電圧付与回路21は、駆動電圧Vinを負の所定電圧である第1電圧Vmに向けて減少させる。これにより、素子電圧Vkaは図13の点p2を経由して点p3に向けて減少する。そして、素子電圧Vkaが図13に示した負の抗電界電圧Vaの近傍の電圧になると、エミッタ部13の双極子の向きが反転し始める。即ち、図14に示したように、分極反転(負側分極反転)が開始する。 In this state, the drive voltage applying circuit 21 decreases the drive voltage Vin toward the first voltage Vm that is a negative predetermined voltage. As a result, the element voltage Vka decreases toward the point p3 via the point p2 in FIG. When the element voltage Vka becomes a voltage in the vicinity of the negative coercive electric field voltage Va shown in FIG. 13, the direction of the dipole of the emitter section 13 starts to reverse. That is, as shown in FIG. 14, polarization reversal (negative polarization reversal) starts.
この分極反転により、貫通孔14aを形成している上部電極14の周囲(先端部分)、及び、上部電極14とエミッタ部13の上面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)において電界が大きくなり(電界集中が発生し)、図15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。 Due to this polarization inversion, the periphery of the upper electrode 14 forming the through hole 14a (tip portion), and the contact point between the upper surface of the upper electrode 14 and the emitter 13 and the surrounding medium (vacuum in this case). At (triple junction), the electric field increases (electric field concentration occurs), and electrons begin to be supplied from the upper electrode 14 toward the emitter section 13 as shown in FIG.
この供給された電子は、主として上部電極14の貫通孔14aの周辺部直下近傍のエミッタ部13の上部(以下、単に「貫通孔14a直下近傍」とも言う。)に蓄積される。その後、所定の時間が経過して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。このようにして、電子が蓄積される。この状態が、図13の点p4の状態である。 The supplied electrons are accumulated mainly on the upper portion of the emitter portion 13 near the periphery of the through hole 14a of the upper electrode 14 (hereinafter also simply referred to as “near the portion immediately below the through hole 14a”). After that, when the predetermined time elapses and the negative side polarization reversal is completed, the element voltage Vka changes rapidly toward the negative predetermined voltage Vm. In this way, electrons are accumulated. This state is the state at point p4 in FIG.
次に、駆動電圧付与回路21は、駆動電圧Vinを正の所定電圧である第2電圧Vpに変更する。これにより、素子電圧Vkaは増大し始める。このとき、素子電圧Vkaが図13の点p5に対応する正の抗電界電圧Vdより小さい電圧Vb(点p6)に到達するまでは、図16に示したように、エミッタ部13の帯電状態が維持される。その後、素子電圧Vkaは正の抗電界電圧Vdの近傍の電圧に到達する。これにより、貫通孔14a直下近傍に蓄積されていた電子は、上部電極14に与えられた電位により上部電極14に引き寄せられ、これと前後して双極子の負極がエミッタ部13の上面側に向き始める。即ち、図17に示したように、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13の点p5近傍の状態である。 Next, the drive voltage application circuit 21 changes the drive voltage Vin to the second voltage Vp, which is a positive predetermined voltage. Thereby, the element voltage Vka starts to increase. At this time, until the element voltage Vka reaches a voltage Vb (point p6) smaller than the positive coercive field voltage Vd corresponding to the point p5 in FIG. 13, the charged state of the emitter section 13 is maintained as shown in FIG. Maintained. Thereafter, the element voltage Vka reaches a voltage in the vicinity of the positive coercive electric field voltage Vd. As a result, the electrons accumulated in the vicinity immediately below the through-hole 14 a are attracted to the upper electrode 14 by the potential applied to the upper electrode 14, and before and after this, the negative pole of the dipole faces toward the upper surface side of the emitter section 13. start. That is, as shown in FIG. 17, the polarization is reversed again (positive-side polarization reversal starts). This state is a state near the point p5 in FIG.
このような状態になると、貫通孔14a直下近傍に蓄積されていた電子は、負極がエミッタ部13の上面側に反転した双極子からクーロンの反発力を受けるとともに、上部電極14に与えられた電位により上部電極14に引き寄せられる。この結果、図18に示したように、貫通孔14a直下近傍に蓄積されていた電子は、貫通孔14aを通って上方(Z軸正方向)に放出される。 In such a state, the electrons accumulated in the vicinity immediately below the through hole 14 a receive a coulomb repulsive force from a dipole whose negative electrode is inverted to the upper surface side of the emitter section 13, and a potential applied to the upper electrode 14. Is attracted to the upper electrode 14. As a result, as shown in FIG. 18, the electrons accumulated in the vicinity immediately below the through hole 14a are emitted upward (Z-axis positive direction) through the through hole 14a.
そして、正側分極反転が完了すると、素子電圧Vkaは急激に増大を開始し、電子が活発に放出される。次いで、電子の放出は完了し、素子電圧Vkaは第2電圧Vpに到達する。この結果、エミッタ部13の状態は図12に示した当初の状態(図13の点p1の状態)に復帰する。以上が、電子の蓄積(消灯)及び放出(点灯・発光)に係る一連の作動原理である。 When the positive-side polarization inversion is completed, the element voltage Vka starts to increase rapidly, and electrons are actively emitted. Next, the electron emission is completed, and the device voltage Vka reaches the second voltage Vp. As a result, the state of the emitter section 13 returns to the initial state shown in FIG. 12 (the state at the point p1 in FIG. 13). The above is a series of operating principles relating to accumulation (extinguishing) and emission (lighting / light emission) of electrons.
なお、素子が複数存在する場合、駆動電圧付与回路21は電子放出を行うべき素子の上部電極14に対してのみ駆動電圧Vinを第1電圧Vmとして電子の蓄積を行い、電子放出を行う必要のない上部電極14に対しては駆動電圧Vinを「0」の値に維持し、その後、総ての上部電極14に対して駆動電圧Vinを第2電圧Vpに一斉に(同時に)変化させるようになっている。これにより、電子は、電子をエミッタ部13の上部に蓄積していた素子の上部電極14(貫通孔14a)のみから放出させられる。従って、電子放出を行う必要のない上部電極14近傍のエミッタ部13内では分極反転が発生しない。 When there are a plurality of elements, the drive voltage application circuit 21 needs to accumulate electrons by using the drive voltage Vin as the first voltage Vm only for the upper electrode 14 of the element that is to emit electrons, and to emit electrons. The drive voltage Vin is maintained at a value of “0” for the upper electrodes 14 that are not present, and then the drive voltage Vin is changed to the second voltage Vp simultaneously (simultaneously) for all the upper electrodes 14. It has become. As a result, electrons are emitted only from the upper electrode 14 (through hole 14a) of the element that has accumulated electrons on the upper portion of the emitter section 13. Therefore, polarization inversion does not occur in the emitter section 13 near the upper electrode 14 that does not need to emit electrons.
ところで、電子が上部電極14の貫通孔14aを通して放出されるとき、図19に示したように、電子は次第に広がりながら(コーン状に)Z軸正方向に進行する。この結果、従来の装置においては、一つの上部電極14(例えば、第2上部電極14−2)から放出された電子が、その上部電極14の直上に存在する蛍光体(例えば、緑色蛍光体19G)に到達するのみでなく、隣接する蛍光体(赤色蛍光体19R及び青色蛍光体19B)にも到達してしまう場合があった。このような状態が発生すると、色純度が低下して画像の鮮明さが低下する。 By the way, when electrons are emitted through the through hole 14a of the upper electrode 14, as shown in FIG. 19, the electrons gradually spread (cone shape) and travel in the positive direction of the Z-axis. As a result, in the conventional apparatus, the electrons emitted from one upper electrode 14 (for example, the second upper electrode 14-2) are phosphors (for example, the green phosphor 19G) that exist immediately above the upper electrode 14. ) As well as adjacent phosphors (red phosphor 19R and blue phosphor 19B). When such a state occurs, the color purity decreases and the sharpness of the image decreases.
これに対し、本実施形態に係る電子放出装置10は負の電位が付与される集束電極16を備えている。この集束電極16は、隣接する上部電極14の間(隣接する素子の各上部電極の間)であって、上部電極14よりも若干だけ上方(Z軸正方向)の位置に配設されている。従って、図20に示したように、上部電極14の貫通孔14aから放出された電子は、集束電極16によりもたらされる電界によって広がることなく実質的に直上方向に放出される。 On the other hand, the electron emission device 10 according to the present embodiment includes a focusing electrode 16 to which a negative potential is applied. The focusing electrode 16 is disposed between the adjacent upper electrodes 14 (between the upper electrodes of adjacent elements) and slightly above the upper electrode 14 (Z-axis positive direction). . Therefore, as shown in FIG. 20, the electrons emitted from the through hole 14 a of the upper electrode 14 are emitted in a substantially upward direction without spreading due to the electric field provided by the focusing electrode 16.
この結果、第1上部電極14−1から放出された電子は赤色蛍光体19Rのみに到達し、第2上部電極14−2から放出された電子は緑色蛍光体19Gのみに到達し、第3上部電極14−3から放出された電子は青色蛍光体19Bのみに到達する。従って、ディスプレイの色純度が低下することなく、より鮮明な画像を得ることができる。 As a result, the electrons emitted from the first upper electrode 14-1 reach only the red phosphor 19R, the electrons emitted from the second upper electrode 14-2 reach only the green phosphor 19G, and the third upper electrode Electrons emitted from the electrode 14-3 reach only the blue phosphor 19B. Therefore, a clearer image can be obtained without lowering the color purity of the display.
また、コレクタ電極18には、コレクタ電圧付与回路23により、所定の正の電圧Vcが印加されている。これにより、エミッタ部13から放出された電子は、コレクタ電極18により形成される電界によって加速されながら(高いエネルギーが与えられ)上部電極14の上方に進行する。従って、蛍光体19に高いエネルギーをもった電子が照射されるので、大きな輝度が得られる A predetermined positive voltage Vc is applied to the collector electrode 18 by the collector voltage application circuit 23. As a result, the electrons emitted from the emitter section 13 travel above the upper electrode 14 while being accelerated (given high energy) by the electric field formed by the collector electrode 18. Therefore, since the phosphor 19 is irradiated with electrons having high energy, high luminance can be obtained.
<各構成部材の材料例及び製法例>
次に、上記電子放出装置の構成部材の材料及び製法について説明する。
<Examples of materials and manufacturing methods for each component>
Next, materials and manufacturing methods of the constituent members of the electron emission device will be described.
(下部電極12)
下部電極12には導電性を有する物質が使用される。下部電極12は、各種の膜形成法により形成され得る。例えば、下部電極12は、スクリーン印刷、スプレー塗布及びディッピング塗布等の厚膜形成手法や、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、CVD及びめっき等の薄膜形成手法のうちの適宜の方法により形成される。以下、下部電極12に好適な物質等を列挙する。
(Lower electrode 12)
A material having conductivity is used for the lower electrode 12. The lower electrode 12 can be formed by various film forming methods. For example, the lower electrode 12 is formed by an appropriate method among thick film forming methods such as screen printing, spray coating, and dipping coating, and thin film forming methods such as ion beam, sputtering, vacuum deposition, ion plating, CVD, and plating. It is formed. Hereinafter, materials suitable for the lower electrode 12 will be listed.
(1)高温酸化雰囲気に対して耐性を有する導体(例えば、金属単体又は合金)
例)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
例)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
(2)高温酸化雰囲気に対して耐性を有する絶縁性セラミックスと金属単体との混合物
例)白金とセラミック材料とのサーメット材料
(3)高温酸化雰囲気に対して耐性を有する絶縁性セラミックスと合金との混合物
(4)カーボン系、又は、グラファイト系の材料
(5)金、銀、銅、アルミニウム、クロム、モリブデン、タングステン、及びニッケル等の導体膜であって、スパッタリング等の薄膜形成手法を用いて形成される導体膜
(6)金のレジネート印刷膜、銀のレジネート印刷膜及び白金のレジネート印刷膜
(1) Conductor having resistance to high-temperature oxidizing atmosphere (for example, simple metal or alloy)
Example) High melting point noble metals such as platinum, iridium, palladium, rhodium, molybdenum, etc.) Mainly composed of silver-palladium, silver-platinum, platinum-palladium, etc. alloys (2) Resistant to high-temperature oxidizing atmospheres Example of mixture of insulating ceramic and simple metal) Cermet material of platinum and ceramic material (3) Mixture of insulating ceramic and alloy having resistance to high-temperature oxidizing atmosphere (4) Carbon-based or graphite-based Material (5) Conductor film made of gold, silver, copper, aluminum, chromium, molybdenum, tungsten, nickel, etc., and formed using a thin film formation technique such as sputtering (6) Gold resinate printed film , Silver resinate print film and platinum resinate print film
なお、電極材料中にセラミック材料を添加する場合、その添加されるセラミック材料の割合は5〜30体積%程度が好適である。また、後述する上部電極14の材料と同様な材料を用いてもよい。下部電極の厚さは、好ましくは20μm以下であり、更に好ましくは5μm以下である。 In addition, when adding a ceramic material in an electrode material, about 5-30 volume% is suitable for the ratio of the added ceramic material. Further, a material similar to the material of the upper electrode 14 described later may be used. The thickness of the lower electrode is preferably 20 μm or less, more preferably 5 μm or less.
(エミッタ部13)
エミッタ部13を構成する誘電体としては、上述したように比誘電率が比較的高い(例えば、比誘電率が1000以上)の誘電体を採用することができる。以下、エミッタ部13に好適な物質を列挙する。
(Emitter part 13)
As the dielectric constituting the emitter section 13, a dielectric having a relatively high relative dielectric constant (for example, a relative dielectric constant of 1000 or more) can be employed as described above. Hereinafter, materials suitable for the emitter section 13 are listed.
(1)チタン酸バリウム、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、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛等
(2)上記(1)に記載の物質のうちの任意の物質を組み合わせたものを含有するセラミックス
(1) Barium titanate, lead zirconate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead magnesium tantalate, lead nickel tantalate, lead antimony stannate, lead titanate, Magnesium lead tungstate, lead cobalt niobate, etc. (2) Ceramics containing any combination of substances described in (1) above
(3)上記(2)に記載のセラミックスに、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、ニッケル及びマンガン等の酸化物を添加したもの、上記(2)に記載のセラミックスにこれらの酸化物の任意の物質を組み合わせたものを添加したもの、又は、更に他の化合物を適切に添加したもの
(4)主成分が上記(1)に記載の物質を50%以上有する物質
(3) The ceramic described in (2) above, further added with an oxide such as lanthanum, calcium, strontium, molybdenum, tungsten, barium, niobium, zinc, nickel, manganese, etc., described in (2) above Ceramics added with a combination of any of these oxides, or further appropriately added with other compounds (4) The main component has 50% or more of the substance described in (1) above material
なお、例えば、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)とチタン酸鉛(PT)との2成分系nPMN−mPT(n,mをモル数比とする。)については、PMNのモル数比を大きくすることにより、キューリー点が低下し且つ室温での比誘電率を大きくすることができる。特に、n=0.85〜1.0及びm=1.0−nとしたnPMN−mPTは、比誘電率が3000以上となるので、エミッタ部の材料として非常に好ましい。例えば、n=0.91及びm=0.09のnPMN−mPTの室温における比誘電率は15000となり、n=0.95及びm=0.05のnPMN−mPTの室温における比誘電率は20000となる。 For example, for a binary nPMN-mPT of lead magnesium niobate (PMN) and lead titanate (PT) (where n and m are mole ratios), the PMN mole ratio is increased. As a result, the Curie point can be lowered and the relative dielectric constant at room temperature can be increased. In particular, nPMN-mPT in which n = 0.85 to 1.0 and m = 1.0-n has a relative dielectric constant of 3000 or more, and is thus very preferable as a material for the emitter portion. For example, nPMN-mPT with n = 0.91 and m = 0.09 has a relative dielectric constant of 15000 at room temperature, and nPMN-mPT with n = 0.95 and m = 0.05 has a relative dielectric constant of 20000 at room temperature. It becomes.
また、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PMN−PT−PZについては、PMNのモル数比を大きくすることにより比誘電率を大きくすることができる。更に、この3成分系においては、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により、比誘電率を大きくすることができる。 Also, for example, for a ternary PMN-PT-PZ of lead magnesium niobate (PMN), lead titanate (PT) and lead zirconate (PZ), the relative dielectric constant can be increased by increasing the molar ratio of PMN. Can be increased. Furthermore, in this ternary system, the relative dielectric constant can be increased by using a composition near the morphotropic phase boundary (MPB) of tetragonal and pseudocubic or tetragonal and rhombohedral. it can.
例えば、PMN:PT:PZ=0.375:0.375:0.25とすると比誘電率は5500、PMN:PT:PZ=0.5:0.375:0.125とすると比誘電率は4500となり、このような組成のPMN−PT−PZはエミッタ部の材料として特に好ましい。 For example, when PMN: PT: PZ = 0.375: 0.375: 0.25, the relative dielectric constant is 5500, and when PMN: PT: PZ = 0.5: 0.375: 0.125, the relative dielectric constant is Thus, PMN-PT-PZ having such a composition is particularly preferable as a material for the emitter portion.
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することにより、誘電率を向上させることが好ましい。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。 Furthermore, it is preferable to improve the dielectric constant by mixing a metal such as platinum into these dielectrics within a range in which insulation can be ensured. In this case, for example, 20% by weight of platinum may be mixed in the dielectric.
エミッタ部には、更に、圧電/電歪層や反強誘電体層等を用いることができる。エミッタ部に圧電/電歪層を用いる場合、その圧電/電歪層として、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を挙げることができる。 For the emitter portion, a piezoelectric / electrostrictive layer, an antiferroelectric layer, or the like can be further used. When a piezoelectric / electrostrictive layer is used for the emitter section, examples of the piezoelectric / electrostrictive layer include lead zirconate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead magnesium tantalate. And ceramics containing nickel tantalate, lead antimony stannate, lead titanate, barium titanate, lead magnesium tungstate, lead cobalt niobate and the like, or any combination thereof.
当然、エミッタ部には、主成分が上記化合物を50重量%以上含有するものを使用することができる。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、エミッタ部を構成する圧電/電歪層の構成材料として最も頻繁に使用される。 As a matter of course, the emitter part may be one containing 50% by weight or more of the above compound as a main component. Among the ceramics, a ceramic containing lead zirconate is most frequently used as a constituent material of the piezoelectric / electrostrictive layer constituting the emitter portion.
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、さらに、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。また、前記セラミックスにSiO2、CeO2、Pb5Ge3O11もしくはこれらのいずれかの組み合わせを添加したセラミックスを用いてもよい。具体的には、PT−PZ−PMN系圧電材料にSiO2を0.2wt%、もしくはCeO2を0.1wt%、もしくはPb5Ge3O11を1〜2wt%添加した材料が好ましい。 Further, when the piezoelectric / electrostrictive layer is composed of ceramics, the ceramics may further include oxides such as lanthanum, calcium, strontium, molybdenum, tungsten, barium, niobium, zinc, nickel, manganese, or any of these. A combination of the above or other compounds as appropriate may be used. Further, a ceramic obtained by adding SiO 2 , CeO 2 , Pb 5 Ge 3 O 11 or any combination thereof to the ceramic may be used. Specifically, PT-PZ-PMN system piezoelectric material SiO 2 and 0.2 wt%, or a CeO 2 0.1 wt%, or Pb 5 Ge 3 O 11 by the addition 1 to 2 wt% materials are preferred.
より具体的には、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、さら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。 More specifically, for example, it is preferable to use a ceramic containing, as a main component, a component composed of lead magnesium niobate, lead zirconate, and lead titanate, and further containing lanthanum or strontium.
圧電/電歪層は、緻密であっても、多孔質であってもよい。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。 The piezoelectric / electrostrictive layer may be dense or porous. In the case of a porous material, the porosity is preferably 40% or less.
エミッタ部13に反強誘電体層を用いる場合、その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ニオブ酸鉛を添加したものが望ましい。 When an antiferroelectric layer is used for the emitter section 13, the antiferroelectric layer is mainly composed of lead zirconate, a component composed mainly of lead zirconate and lead stannate, Furthermore, what added lanthanum oxide to lead zirconate, and what added lead niobate to the component which consists of lead zirconate and lead stannate are desirable.
反強誘電体層は、多孔質であってもよい。多孔質の場合、その気孔率は30%以下であることが望ましい。 The antiferroelectric layer may be porous. In the case of a porous material, the porosity is desirably 30% or less.
更に、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム(SrBi2Ta2O9)は、分極反転疲労が小さいので、エミッタ部に適している。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+(Am-1BmO3m+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。更に、チタン酸バリウム系、ジルコン酸鉛系、PZT系の圧電セラミックスに添加剤を加えて半導体化させることも可能である。この場合、エミッタ部13内で不均一な電界分布をもたせられるので、電子放出に寄与する上部電極との界面近傍に電界を集中させることができる。 Furthermore, strontium bismuthate tantalate (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) is suitable for the emitter part because it has low polarization reversal fatigue. Such a material with low polarization reversal fatigue is a layered ferroelectric compound and is represented by the general formula (BiO 2 ) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1 ) 2− . Here, the ions of metal A are Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , Pb 2+ , Bi 3+ , La 3+, etc., and the ions of metal B are Ti 4+ , Ta 5+ , Nb 5+ and the like. Furthermore, it is possible to make semiconductors by adding additives to barium titanate, lead zirconate, and PZT piezoelectric ceramics. In this case, since an uneven electric field distribution is provided in the emitter section 13, the electric field can be concentrated near the interface with the upper electrode that contributes to electron emission.
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、エミッタ部13の焼成温度を下げることができる。 Also, the firing temperature of the emitter section 13 can be lowered by mixing the piezoelectric / electrostrictive / antiferroelectric ceramic with a glass component such as lead borosilicate glass or other low melting point compound (for example, bismuth oxide). Can do.
また、エミッタ部を圧電/電歪/反強誘電体セラミックスで構成する場合、エミッタ部はシート状の成形体、シート状の積層体、又は、これらを他の支持用基板に積層又は接着したものから作成することができる。 In addition, when the emitter part is composed of piezoelectric / electrostrictive / antiferroelectric ceramics, the emitter part is a sheet-like molded body, a sheet-like laminate, or a laminate or bonded to another supporting substrate. Can be created from.
また、エミッタ部に非鉛系の材料を使用すること等により、エミッタ部を融点もしくは蒸散温度の高い材料により形成すれば、電子もしくはイオンの衝突に対し損傷しにくいエミッタ部が得られる。 Further, if the emitter part is formed of a material having a high melting point or a high evaporation temperature by using a lead-free material for the emitter part, an emitter part that is not easily damaged by the collision of electrons or ions can be obtained.
なお、エミッタ部は、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動法、沈降法及びエアロゾルデポジション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)及びめっき等の各種薄膜形成法により形成することができる。特に、圧電/電歪材料を粉末化したものを、エミッタ部として形成し、これに低融点のガラスやゾル粒子を含浸させることにより、700℃或いは600℃以下といった低温で膜を形成することができる。 The emitter is formed by various thick film forming methods such as screen printing method, dipping method, coating method, electrophoresis method, sedimentation method and aerosol deposition method, ion beam method, sputtering method, vacuum deposition method, ion plating method. It can be formed by various thin film forming methods such as a chemical vapor deposition method (CVD) and plating. In particular, it is possible to form a film at a low temperature of 700 ° C. or 600 ° C. or less by forming a powdered piezoelectric / electrostrictive material as an emitter portion and impregnating it with glass or sol particles having a low melting point. it can.
(上部電極14)
上部電極14を所望の形状とするには、例えば、以下の手法によることができる。
(1)スクリーン印刷法や光リソグラフィ法等を用いてパターン形成する手法
(2)エキシマレーザー及びYAGレーザー等を用いたレーザー加工法や、スライジング及び超音波加工等の機械加工法を用いて不必要な部分を除去してパターン形成する手法
(Upper electrode 14)
In order to make the upper electrode 14 into a desired shape, for example, the following method can be used.
(1) Pattern forming method using screen printing method, photolithography method, etc. (2) Laser processing method using excimer laser, YAG laser, etc., and non-mechanical methods such as sizing and ultrasonic processing. Method to remove the necessary part and form a pattern
また、上部電極14に上述した微細な貫通孔を形成するためには、例えば、光リソグラフィ法、電子線及びX線リソグラフィ法、並びに、エキシマレーザー、YAGレーザー及び集束イオンビーム(FIB)等を用いた加工法、を採用することができ、更に、以下に例示するように、有機金属化合物をスクリーン印刷、スプレー塗布及びディッピング塗布等の厚膜形成法によりエミッタ部13となる物質の上面に塗布・延在させ、所定の温度にて加熱することにより焼成する方法を採用することができる。この加熱・焼成により上部電極14を形成する方法は、高価な製造設備を必要とせず、大気中にて上部電極14を形成できるので、微細な貫通孔を備えた上部電極14の形成に有利である。 In addition, in order to form the fine through hole described above in the upper electrode 14, for example, an optical lithography method, an electron beam and an X-ray lithography method, an excimer laser, a YAG laser, and a focused ion beam (FIB) are used. Further, as exemplified below, an organometallic compound is applied to the upper surface of the substance to be the emitter portion 13 by a thick film forming method such as screen printing, spray coating, and dipping coating. A method of firing by extending and heating at a predetermined temperature can be employed. This method of forming the upper electrode 14 by heating and firing does not require expensive manufacturing equipment and can form the upper electrode 14 in the atmosphere, which is advantageous for forming the upper electrode 14 having fine through holes. is there.
ここで、上述した加熱・焼成による方法により上部電極14を形成する方法について具体的に述べる。 Here, a method of forming the upper electrode 14 by the above-described heating / firing method will be specifically described.
(A:二種類以上の金属を含む有機金属化合物を使用する場合)
上部電極14は、銀(Ag),金(Au),イリジウム(Ir),ロジウム(Rh),ルテニウム(Ru),白金(Pt),パラジウム(Pd),アルミニウム(Al),銅(Cu),ニッケル(Ni),クロム(Cr),モリブデン(Mo),タングステン(W)及びチタン(Ti)等の金属の中の「二種類以上の金属を含む有機金属化合物」をエミッタ部13となる物質の上部に膜状に延在させてから所定の温度にて焼成することより形成される。「二種類以上の金属を含む有機金属化合物」を適切な温度で焼成させると、一種類の金属のみを含む有機金属化合物を焼成した場合に比較して、極めて微小な平均径(10nm以上且つ100nm未満)を有する貫通孔を備えた上部電極14を容易に形成することができる。また、金属としてリチウム(Li)を用いても同様の効果を得ることができる。更に、このような有機金属化合物として一種類以上の金属及びホウ素(B)を含んでもよい。
(A: When using an organometallic compound containing two or more metals)
The upper electrode 14 is made of silver (Ag), gold (Au), iridium (Ir), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), platinum (Pt), palladium (Pd), aluminum (Al), copper (Cu), “Organic metal compound containing two or more kinds of metals” among metals such as nickel (Ni), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W) and titanium (Ti) It is formed by firing at a predetermined temperature after extending in the form of a film on the top. When the “organic metal compound containing two or more kinds of metals” is fired at an appropriate temperature, the average diameter (10 nm or more and 100 nm or more) is extremely small compared to the case where the organometallic compound containing only one kind of metal is fired. It is possible to easily form the upper electrode 14 having a through hole having a lower The same effect can be obtained even when lithium (Li) is used as the metal. Furthermore, one or more kinds of metals and boron (B) may be included as such an organometallic compound.
ここで、「二種類以上の金属を含む有機金属化合物」は、一種類の金属のみを含む有機金属化合物を二種類以上混合したもの、二種類以上の金属を含む一種類の有機金属化合物、及び、二種類以上の金属を含む一種類の有機金属化合物に他の有機金属化合物を混合したものの何れであってもよい。また、「二種類以上の金属を含む有機金属化合物」は、少なくとも貴金属を含んでいることが好適である。更に、この貴金属として、白金(Pt)、金(Au)、イリジウム(Ir)を用いることが好適である。 Here, “organometallic compound containing two or more kinds of metals” is a mixture of two or more kinds of organometallic compounds containing only one kind of metal, one kind of organometallic compound containing two or more kinds of metals, and Any one of a mixture of one organometallic compound containing two or more metals and another organometallic compound may be used. The “organometallic compound containing two or more metals” preferably contains at least a noble metal. Further, it is preferable to use platinum (Pt), gold (Au), or iridium (Ir) as the noble metal.
更に、上部電極14を形成する材料には、上記「二種類以上の金属を含む有機金属化合物」に分極反転疲労を抑制する酸化物電極、或いは、分極反転疲労を抑制する酸化物電極を混合した材料を用いてもよい。分極反転疲労を抑制する酸化物電極としては、例えば、酸化ルテニウム(RuO2)、酸化イリジウム(IrO2)、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO3)、La1-xSrxCoO3(例えばx=0.3や0.5)、La1-xCaxMnO3(例えばx=0.2)、La1-xCaxMn1-yCoyO3(例えばx=0.2、y=0.05)等を挙げることができる。 Furthermore, the material for forming the upper electrode 14 is a mixture of the above-mentioned “organometallic compound containing two or more metals” with an oxide electrode for suppressing polarization reversal fatigue or an oxide electrode for suppressing polarization reversal fatigue. Materials may be used. Examples of oxide electrodes that suppress polarization reversal fatigue include ruthenium oxide (RuO 2 ), iridium oxide (IrO 2 ), strontium ruthenate (SrRuO 3 ), La 1-x Sr x CoO 3 (for example, x = 0. 3 or 0.5), La 1-x Ca x MnO 3 (eg, x = 0.2), La 1-x Ca x Mn 1-y Co y O 3 (eg, x = 0.2, y = 0. 05).
上部電極14に10nm以上且つ100nm未満の平均径の貫通孔を複数形成するためには、以下に述べるように、「二種類以上の金属を含む有機金属化合物」を単相の状態で存在するように焼成させるか、混相の状態で存在するように焼成させるか等を考慮するとよい。 In order to form a plurality of through holes having an average diameter of 10 nm or more and less than 100 nm in the upper electrode 14, as described below, “an organometallic compound containing two or more kinds of metals” is present in a single phase state. It is good to consider whether to calcinate so as to exist in a mixed phase state.
(A−1)単相の状態で焼成させる場合の製法例(製法例1)
ステップ1:母材となる所定の金属(例えば、融点が1770℃であるPt)を一種類だけ含む有機金属化合物と、その所定の金属(Pt)よりも融点の高い金属(例えば、融点が2410℃であるIr)を一種類だけ含む有機金属化合物とを、両金属が焼成温度付近(ここでは、700℃付近)において単相の状態にて存在するような金属重量比で混合・攪拌する。ここでは、重量%で、Pt:Ir=97:3とする。なお、Pt有機金属化合物とIr有機金属化合物とを混合する場合、重量%でPt:Ir=90:10〜100:0、即ち、Irが重量%で10%以下の存在下において、両金属は焼成温度付近(ここでは、700℃付近)において単相の状態にて存在し得る。
(A-1) Example of production method in the case of firing in a single phase state (Production example 1)
Step 1: An organometallic compound containing only one kind of a predetermined metal as a base material (for example, Pt having a melting point of 1770 ° C.) and a metal having a higher melting point than the predetermined metal (Pt) (for example, a melting point of 2410 An organometallic compound containing only one kind of Ir) at ° C. is mixed and stirred at a metal weight ratio such that both metals exist in a single phase state near the firing temperature (here, around 700 ° C.). Here, Pt: Ir = 97: 3 by weight%. When the Pt organometallic compound and the Ir organometallic compound are mixed, in the presence of Pt: Ir = 90: 10 to 100: 0 by weight, that is, in the presence of Ir of 10% or less by weight, both metals are It may exist in a single-phase state around the firing temperature (here, around 700 ° C.).
ステップ2:ステップ1にて混合したペースト状の有機金属化合物(混合有機金属化合物)をスクリーン印刷によりエミッタ部13となる物質の上面に印刷して膜状に延在させ、その後、100℃で乾燥する。
ステップ3:電気炉により700℃まで昇温速度を47℃/分(毎分47℃)として加熱・昇温し、その状態にて30分間保持して上記有機金属化合物を焼成(熱処理)する。
Step 2: The paste-like organometallic compound (mixed organometallic compound) mixed in Step 1 is printed on the upper surface of the substance to be the emitter section 13 by screen printing to extend into a film shape, and then dried at 100 ° C. To do.
Step 3: Heat and raise the temperature up to 700 ° C. with an electric furnace at a rate of 47 ° C./min (47 ° C./min) and hold in that state for 30 minutes to fire (heat-treat) the organometallic compound.
このステップ2及びステップ3は、二種類以上の金属を含む有機金属化合物を前記エミッタ部となる物質の上部に膜状に延在させてから所定の温度にまで所定の昇温速度にて昇温する昇温工程を含む工程であって同有機金属化合物を焼成することにより前記上部電極を形成する工程である。 In step 2 and step 3, the organic metal compound containing two or more kinds of metals is extended in the form of a film over the substance serving as the emitter, and then heated to a predetermined temperature at a predetermined temperature increase rate. And a step of forming the upper electrode by firing the organometallic compound.
この製法例1により製造された電子放出装置は、母材となる所定の金属(この場合、Pt)のみを含む有機金属化合物を47℃/分にて700℃まで昇温し且つ700℃にて焼成したものに比べて電子放出量が多くなった。この理由は、融点の高い金属(この場合、Ir)の存在により、Irと単相の状態にあるPtの粒成長が抑制されるので、実際の上部電極表面の拡大写真である図21に示したように、10nm以上且つ100nm未満(PtとIrの例では50nm以下)という微小な平均径を有する貫通孔を備えた上部電極を容易に形成することができたためと考えられる。 In the electron emission device manufactured by this manufacturing method example 1, the organic metal compound containing only a predetermined metal (in this case, Pt) as a base material is heated to 700 ° C. at 47 ° C./min and at 700 ° C. The amount of electron emission increased compared to the fired one. The reason for this is shown in FIG. 21, which is an enlarged photograph of the actual upper electrode surface, because the presence of a metal having a high melting point (in this case, Ir) suppresses the grain growth of Pt in a single phase with Ir. As described above, it is considered that the upper electrode having a through hole having a minute average diameter of 10 nm or more and less than 100 nm (50 nm or less in the example of Pt and Ir) can be easily formed.
図22は、Pt一種類のみを含む有機金属化合物のみを上記条件(焼成速度700℃、昇温速度47℃/分)にて焼成する従来の製法により形成された上部電極の表面の実際の拡大写真である。図22からも理解されるように、従来の製法による上部電極の貫通孔の平均径は、100〜5000nmであって比較的大きい。従って、上述した製法例1によれば、従来に比べて非常に小さい平均径の貫通孔が容易に形成されることが理解される。 FIG. 22 shows an actual enlargement of the surface of the upper electrode formed by a conventional method in which only an organometallic compound containing only one type of Pt is fired under the above conditions (firing rate 700 ° C., temperature rising rate 47 ° C./min). It is a photograph. As understood from FIG. 22, the average diameter of the through holes of the upper electrode according to the conventional manufacturing method is 100 to 5000 nm, which is relatively large. Therefore, according to the manufacturing method example 1 described above, it is understood that a through hole having a very small average diameter is easily formed as compared with the conventional method.
なお、図21乃至図24、図28、図33並びに図34は、各製法により形成された上部電極の表面を全て同一の倍率にて撮影した拡大写真である。また、図29は、図28に示した上部電極の表面を図28よりも倍率を上げて撮影した拡大写真である。 21 to 24, FIG. 28, FIG. 33 and FIG. 34 are enlarged photographs obtained by photographing the surface of the upper electrode formed by each manufacturing method at the same magnification. FIG. 29 is an enlarged photograph of the surface of the upper electrode shown in FIG. 28 taken at a higher magnification than in FIG.
(A−2)混相の状態で焼成させる場合の製法例(製法例2)
ステップ1:母材となる所定の金属(例えば、融点が1770℃であるPt)を一種類だけ含む有機金属化合物と、その所定の金属(Pt)よりも融点の低い他の金属(例えば、融点が1064℃であるAu)を一種類だけ含む有機金属化合物とを、両金属が焼成温度付近(ここでは、650℃付近)において混相の状態で存在するような金属重量比で混合・攪拌する。ここでは、重量%で、Pt:Au=95:5とする。なお、Pt有機金属化合物とAu有機金属化合物とを混合する場合、重量%でPt:Au=22:78〜97:3、即ち、Auを重量%で3%以上78%以下含めば、両金属は焼成温度付近(ここでは、650℃付近)において混相の状態で存在し得る。
(A-2) Manufacturing method example in the case of firing in a mixed phase state (Manufacturing method example 2)
Step 1: An organometallic compound containing only one kind of a predetermined metal (for example, Pt having a melting point of 1770 ° C.) as a base material, and another metal having a lower melting point than the predetermined metal (Pt) (for example, a melting point) Is mixed and stirred at a metal weight ratio such that both metals are present in a mixed phase near the firing temperature (here, around 650 ° C.). Here, the weight percentage is Pt: Au = 95: 5. When the Pt organometallic compound and the Au organometallic compound are mixed, Pt: Au = 22: 78 to 97: 3 by weight%, that is, if both metals are included by 3% or more and 78% or less by weight%. May exist in a mixed phase around the firing temperature (here, around 650 ° C.).
ステップ2:ステップ1にて混合したペースト状の有機金属化合物(混合有機金属化合物)をスクリーン印刷によりエミッタ部13となる物質の上面に印刷して膜状に延在させ、その後、100℃で乾燥する。
ステップ3:電気炉により650℃まで昇温速度を43℃/分(毎分43℃)として加熱・昇温し、その状態にて30分間保持して上記有機金属化合物を焼成(熱処理)する。
Step 2: The paste-like organometallic compound (mixed organometallic compound) mixed in Step 1 is printed on the upper surface of the substance to be the emitter section 13 by screen printing to extend into a film shape, and then dried at 100 ° C. To do.
Step 3: Heat and heat up to 650 ° C. with an electric furnace at a rate of temperature rise of 43 ° C./min (43 ° C./min) and hold in that state for 30 minutes to fire (heat treat) the organometallic compound.
このステップ2及びステップ3は、二種類以上の金属を含む有機金属化合物を前記エミッタ部となる物質の上部に膜状に延在させてから所定の温度にまで所定の昇温速度にて昇温する昇温工程を含む工程であって同有機金属化合物を焼成することにより前記上部電極を形成する工程である。 In step 2 and step 3, the organic metal compound containing two or more kinds of metals is extended in the form of a film over the substance serving as the emitter, and then heated to a predetermined temperature at a predetermined temperature increase rate. And a step of forming the upper electrode by firing the organometallic compound.
この製法例2により製造された電子放出装置は、母材となる所定の金属(この場合、Pt)のみを含む有機金属化合物を47℃/分にて700℃まで昇温し且つ700℃にて焼成したものに比べて電子放出量が多くなった。このように、各金属が混相の状態で存在するように二種類以上の金属を含む有機金属化合物を焼成すると、PtとAuが二種類以上の異なる相を形成することにより、各相を構成する金属の粒成長を互いに阻害する。この結果、10nm以上且つ100nm未満という微小な平均径を有する貫通孔を備えた上部電極を形成することができる。 In the electron emission device manufactured by this manufacturing method example 2, the organometallic compound containing only a predetermined metal (in this case, Pt) as a base material is heated to 700 ° C. at 47 ° C./min and at 700 ° C. The amount of electron emission increased compared to the fired one. As described above, when an organometallic compound containing two or more kinds of metals is fired so that each metal exists in a mixed phase state, Pt and Au form two or more different phases to form each phase. Inhibits metal grain growth. As a result, it is possible to form an upper electrode having through holes having a minute average diameter of 10 nm or more and less than 100 nm.
図23は、上述した製法例2に基づいて製造された上部電極の表面の拡大写真である。図23と従来の製法による上部電極表面の拡大写真である図22とを比較すると明らかなように、上述した製法例2によれば、従来に比べて非常に小さい平均径の貫通孔が容易に形成されることが理解される。 FIG. 23 is an enlarged photograph of the surface of the upper electrode manufactured based on the manufacturing method example 2 described above. As is apparent from a comparison between FIG. 23 and FIG. 22, which is an enlarged photograph of the upper electrode surface according to the conventional manufacturing method, according to the manufacturing method 2 described above, a through hole having a very small average diameter can be easily formed. It is understood that it is formed.
なお、二種類の金属を含む一種類の有機金属化合物を予め合成しておき、その有機金属化合物を上述した場合と同様な方法で焼成させることによっても、一種類の金属のみを含む有機金属化合物単体を焼成した場合より微小な平均径の貫通孔を有する上部電極を形成することができる。このような合成による有機金属化合物の例としては、Auを5wt%程度含むだけで微小な径の貫通孔を形成することができる材料となるPt−Au有機金属化合物が挙げられる。 An organometallic compound containing only one kind of metal can be obtained by previously synthesizing one kind of organometallic compound containing two kinds of metals and firing the organometallic compound in the same manner as described above. It is possible to form an upper electrode having through-holes with a smaller average diameter than when a single body is fired. As an example of the organometallic compound by such synthesis, a Pt—Au organometallic compound that is a material capable of forming a through hole having a minute diameter only by containing about 5 wt% of Au can be given.
(A−3)三種類の有機金属化合物を用いる場合の第1製法例(製法例3)
ステップ1:母材となる所定の金属(例えば、融点が1770℃であるPt)を一種類だけ含む有機金属化合物と、その所定の金属(Pt)よりも融点の低い他の金属(例えば、融点が1064℃であるAu)を一種類だけ含む有機金属化合物と、その所定の金属(Pt)よりも融点の高い金属(例えば、融点が2410℃であるIr)を一種類だけ含む有機金属化合物とを、所定の金属重量比で混合・攪拌する。ここでは、重量%で、Pt:Au:Ir=93:4.5:2.5とする。このようにすると、焼成温度付近(ここでは700℃付近)において、PtとIrは単相の状態となり、その単相成分がAuと混相の状態で存在する。
(A-3) First production method example when using three types of organometallic compounds (Production method example 3)
Step 1: An organometallic compound containing only one kind of a predetermined metal (for example, Pt having a melting point of 1770 ° C.) as a base material, and another metal having a lower melting point than the predetermined metal (Pt) (for example, a melting point) And an organometallic compound containing only one type of metal having a melting point higher than the predetermined metal (Pt) (for example, Ir having a melting point of 2410 ° C.) Are mixed and stirred at a predetermined metal weight ratio. Here, the weight percentage is Pt: Au: Ir = 93: 4.5: 2.5. In this way, near the firing temperature (here, around 700 ° C.), Pt and Ir are in a single-phase state, and the single-phase component exists in a mixed phase with Au.
ステップ2:ステップ1にて混合したペースト状の有機金属化合物(混合有機金属化合物)をスクリーン印刷によりエミッタ部13となる物質の上面に印刷して膜状に延在させ、その後、100℃で乾燥する。
ステップ3:電気炉により700℃まで昇温速度を47℃/分(毎分47℃)として加熱・昇温し、その状態にて30分間保持して上記有機金属化合物を焼成(熱処理)する。
Step 2: The paste-like organometallic compound (mixed organometallic compound) mixed in Step 1 is printed on the upper surface of the substance to be the emitter section 13 by screen printing to extend into a film shape, and then dried at 100 ° C. To do.
Step 3: Heat and raise the temperature up to 700 ° C. with an electric furnace at a rate of 47 ° C./min (47 ° C./min) and hold in that state for 30 minutes to fire (heat-treat) the organometallic compound.
このステップ2及びステップ3も、二種類以上の金属を含む有機金属化合物を前記エミッタ部となる物質の上部に膜状に延在させてから所定の温度にまで所定の昇温速度にて昇温する昇温工程を含む工程であって同有機金属化合物を焼成することにより前記上部電極を形成する工程である。 In step 2 and step 3, the organometallic compound containing two or more kinds of metals is extended in the form of a film over the substance serving as the emitter portion, and then heated to a predetermined temperature at a predetermined temperature increase rate. And a step of forming the upper electrode by firing the organometallic compound.
この製法例3により製造された電子放出装置は、実際の拡大写真である図24に示したように、10nm以上且つ100nm未満(PtとIrの例では50nm以下)という微小な平均径を有する貫通孔を多数有する上部電極を備えている。従って、この製法例3により製造された電子放出装置は、母材となる所定の金属(この場合、Pt)のみを含む有機金属化合物を47℃/分にて700℃まで昇温し且つ700℃にて焼成したもの(図22を参照)に比べて電子放出量が多くなった。 As shown in FIG. 24 which is an actual enlarged photograph, the electron-emitting device manufactured by this manufacturing method example 3 has a fine average diameter of 10 nm or more and less than 100 nm (50 nm or less in the example of Pt and Ir). An upper electrode having a large number of holes is provided. Therefore, in the electron emission device manufactured by this manufacturing method example 3, the temperature of the organometallic compound containing only a predetermined metal (in this case, Pt) as a base material is increased to 700 ° C. at 47 ° C./min and 700 ° C. The amount of electron emission increased compared to that fired at (see FIG. 22).
更に、製法例3により製造された電子放出素子は、上記製法例1によるもの、及び、上記製法例2によるもの、のいずれより電子放出量が多くなった。 Furthermore, the amount of electron emission from the electron-emitting device manufactured by the manufacturing method example 3 was larger than that of either the manufacturing method example 1 or the manufacturing method example 2.
以上のように製造された電子放出装置は、平均径が10nm以上、且つ、100nm未満の貫通孔を上部電極14に備えている。これにより、図25に示したように、一つの貫通孔から放出される電子量が非常に大きくなる。従って、上記電子放出装置は、より少ない消費電力量でより多くの電子を放出することができる。 The electron emission device manufactured as described above includes a through-hole having an average diameter of 10 nm or more and less than 100 nm in the upper electrode 14. Thereby, as shown in FIG. 25, the amount of electrons emitted from one through hole becomes very large. Therefore, the electron emission device can emit more electrons with less power consumption.
このような現象は、以下の理由によるものと考えられる。先ず、図49に示した等電位線から理解されるように、貫通孔204aの平均径が100nm以上であると、電子は、貫通孔204a周辺部から供給されやすくなるものの、電界の強さが小さい貫通孔204aの中央部直下近傍に蓄積され難くなっていることによるものと推測される。この結果、電子は、貫通孔204aの周辺部直下(図49に符合Aにより示した領域)に蓄積されると考えられる。 Such a phenomenon is considered to be due to the following reason. First, as can be understood from the equipotential lines shown in FIG. 49, when the average diameter of the through holes 204a is 100 nm or more, electrons are easily supplied from the periphery of the through holes 204a, but the electric field strength is low. This is presumably due to the fact that it is difficult for the small through hole 204a to accumulate in the vicinity of the central portion. As a result, it is considered that electrons are accumulated immediately below the peripheral portion of the through-hole 204a (region indicated by reference numeral A in FIG. 49).
これに対し、上述した本発明の実施形態に係る電子放出装置においては、上部電極14の貫通孔14aの径が100nm未満であるので、図26に示した等電位線から理解されるように、等電位線が貫通孔14aから膨出し難い。従って、図26の符合Bにより示したように、貫通孔14aの直下部に存在するエミッタ部13の上面のより広い領域において電界強度がより強く且つ均一となるので、より広い領域にわたって電子を蓄積することができる。その結果、一つの貫通孔14aから放出することができる単位面積あたりの電子の量を増大することができる。 On the other hand, in the electron emission device according to the embodiment of the present invention described above, since the diameter of the through hole 14a of the upper electrode 14 is less than 100 nm, as understood from the equipotential lines shown in FIG. It is difficult for the equipotential lines to bulge from the through hole 14a. Therefore, as indicated by reference numeral B in FIG. 26, the electric field strength is stronger and more uniform in a wider region of the upper surface of the emitter portion 13 existing immediately below the through hole 14a, so that electrons are accumulated over a wider region. can do. As a result, the amount of electrons per unit area that can be emitted from one through hole 14a can be increased.
また、上述したように、電子は貫通孔の周辺部の直下に主として蓄積されるので、貫通孔の周辺部の長さ(外周の距離)の合計が大きいほど、より多くの電子が放出される。例えば、図27の(A)に示したように、貫通孔の径(直径)が10rの場合、一定の面積L2あたりの貫通孔の周辺部の長さは10πrである。これに対し、貫通孔の径がrであるとすると、例えば図27の(B)に示したように、一定の面積L2あたりに64個の貫通孔を形成することができるので、その周辺部の長さの合計は64πrとなる。 Further, as described above, since electrons are mainly accumulated directly below the periphery of the through hole, the larger the total length (periphery distance) of the periphery of the through hole, the more electrons are emitted. . For example, as shown in (A) of FIG. 27, when the diameter of the through hole (diameter) of 10r, the length of the peripheral portion of the fixed area L 2 per through hole is 10Paiaru. In contrast, when the diameter of the through hole is assumed to be r, for example, as shown in (B) of FIG. 27, it is possible to form a 64 holes per fixed area L 2, around the The total length of the parts is 64πr.
このことからも明らかなように、本発明の実施形態に係る電子放出装置10においては、上部電極14の貫通孔14aの径が10nm以上、且つ、100nm未満と、極めて小さいので、電子放出装置の上面の単位面積あたりにより多くの貫通孔を形成することができる。従って、単位面積あたりからより多くの電子を蓄積・放出することができる。 As is clear from this, in the electron emission device 10 according to the embodiment of the present invention, the diameter of the through hole 14a of the upper electrode 14 is as small as 10 nm or more and less than 100 nm. More through holes can be formed per unit area of the upper surface. Therefore, more electrons can be accumulated and emitted from the unit area.
一方、本発明の実施形態に係る電子放出装置10においては、上部電極14の貫通孔14aの平均径は10nm以上である。貫通孔の平均径が10nmより小さいと、以下の推定理由により放出される電子の量が低下する恐れがある。
エミッタ部13の上面の電子を蓄積する領域が小さくなりすぎ、電子蓄積量が低下する。
電子を放出しようとするときに上部電極に衝突する電子が増加し、上部電極に捕獲される電子の割合が増加する。
On the other hand, in the electron emission device 10 according to the embodiment of the present invention, the average diameter of the through holes 14a of the upper electrode 14 is 10 nm or more. If the average diameter of the through holes is smaller than 10 nm, the amount of electrons emitted may be reduced due to the following estimation reason.
The region for accumulating electrons on the upper surface of the emitter section 13 becomes too small, and the amount of accumulated electrons decreases.
When electrons are emitted, the number of electrons that collide with the upper electrode increases, and the proportion of electrons captured by the upper electrode increases.
以上のことから、上部電極に10nm以上、且つ、100nm未満の平均径を有する貫通孔を備えた電子放出装置10は、電子を高い効率で放出することができる。また、電子放出装置10においては、貫通孔14aが微小であるので、放出される電子が広がることがない。即ち、電子放出装置10は、電子をエミッタ部13及び上部電極14のなす平面に直交する方向に精度よく放出することができる。 From the above, the electron emission device 10 provided with through holes having an average diameter of 10 nm or more and less than 100 nm in the upper electrode can emit electrons with high efficiency. Moreover, in the electron emission apparatus 10, since the through-hole 14a is very small, the emitted electron does not spread. That is, the electron emission device 10 can accurately emit electrons in a direction perpendicular to the plane formed by the emitter section 13 and the upper electrode 14.
更に、このような微細な貫通孔を有する上部電極の他の製造方法について説明する。 Furthermore, another method for manufacturing the upper electrode having such fine through holes will be described.
(A−4)三種類の有機金属化合物を用いる場合の第2製法例(製法例4)
ステップ1:単相及び混相の状態で焼成させる場合の上記製法例3と同様に、母材となる所定の金属(例えば、融点が1770℃であるPt)を一種類だけ含む有機金属化合物と、その所定の金属(Pt)よりも融点の低い他の金属(例えば、融点が1064℃であるAu)を一種類だけ含む有機金属化合物と、その所定の金属(Pt)よりも融点の高い金属(例えば、融点が2410℃であるIr)を一種類だけ含む有機金属化合物とを、所定の金属重量比で混合・攪拌する。ここでは、重量%で、Pt:Au:Ir=93:4.5:2.5とする。このようにすると、焼成温度付近(ここでは700℃付近)において、PtとIrは単相の状態となり、その単相成分がAuと混相の状態で存在する。
(A-4) Second production method example when using three kinds of organometallic compounds (Production Example 4)
Step 1: In the same manner as in Production Example 3 in the case of firing in a single-phase and mixed-phase state, an organometallic compound containing only one kind of a predetermined metal as a base material (for example, Pt having a melting point of 1770 ° C.), An organometallic compound containing only one kind of other metal having a lower melting point than the predetermined metal (Pt) (for example, Au having a melting point of 1064 ° C.) and a metal having a higher melting point than the predetermined metal (Pt) ( For example, an organometallic compound containing only one kind of Ir) having a melting point of 2410 ° C. is mixed and stirred at a predetermined metal weight ratio. Here, the weight percentage is Pt: Au: Ir = 93: 4.5: 2.5. In this way, near the firing temperature (here, around 700 ° C.), Pt and Ir are in a single-phase state, and the single-phase component exists in a mixed phase with Au.
ステップ2:ステップ1にて混合したペースト状の有機金属化合物(混合有機金属化合物)をスクリーン印刷によりエミッタ部13となる物質の上面に印刷して膜状に延在させ、その後、100℃で乾燥する。 Step 2: The paste-like organometallic compound (mixed organometallic compound) mixed in Step 1 is printed on the upper surface of the substance to be the emitter section 13 by screen printing to extend into a film shape, and then dried at 100 ° C. To do.
ステップ3:赤外線加熱炉により、700℃まで昇温速度を23℃/秒(毎秒23℃、即ち1400℃/分)として加熱・昇温し、その状態にて30分間保持して上記有機金属化合物を焼成(熱処理)する。 Step 3: In an infrared heating furnace, the temperature is increased to 700 ° C. at a rate of temperature increase of 23 ° C./second (23 ° C. per second, ie, 1400 ° C./minute), and the temperature is maintained for 30 minutes. Is fired (heat treatment).
このステップ2及びステップ3も、二種類以上の金属を含む有機金属化合物を前記エミッタ部となる物質の上部に膜状に延在させてから所定の温度にまで所定の昇温速度(1400℃/分)にて昇温する昇温工程を含む工程であって同有機金属化合物を焼成することにより前記上部電極を形成する工程である。なお、この所定の昇温速度は、後述するように、毎分10℃より大きい昇温速度とすることが望ましい。 In Step 2 and Step 3, the organometallic compound containing two or more kinds of metals is formed in a film shape on the upper part of the substance serving as the emitter portion, and then a predetermined temperature increase rate (1400 ° C. / And a step of forming the upper electrode by firing the organometallic compound. In addition, as for this predetermined temperature increase rate, it is desirable to set it as a temperature increase rate larger than 10 degree-C per minute so that it may mention later.
この製法例4により製造された電子放出装置は、上述した「単相及び混相の状態で焼成させる場合の第1製法例(製法例3)」により製造された電子放出装置よりも、電子放出量が非常に多くなった。この理由は、製法例4により製造された電子放出装置は、実際の拡大写真である図28及び図28よりも倍率を上げた拡大写真である図29に示したように、10〜100nmの径の微細な貫通孔が多量に形成され、且つ、上部電極の平坦性が良好になって図50にて示した距離dが大きくなったこと等によるものと推察される。微細な貫通孔が多量に形成される理由は、昇温速度が大きいので有機金属化合物の熱分解が急激に起こり、その際に全ての有機金属が略同時に金属粒子へと変化し、その結果、金属粒子の径が小さく均一になるためであると推定される。 The electron-emitting device manufactured by this manufacturing method example 4 is more electron-emitting than the electron-emitting device manufactured by the above-mentioned "1st manufacturing method example (manufacturing method example 3) in the case of baking in the state of a single phase and a mixed phase". Became very large. The reason for this is that the electron-emitting device manufactured by the manufacturing method example 4 has a diameter of 10 to 100 nm as shown in FIG. 28 which is an actual enlarged photograph and FIG. 29 which is an enlarged photograph at a magnification higher than that of FIG. This is probably because the fine through-holes are formed in a large amount, the flatness of the upper electrode is improved, and the distance d shown in FIG. 50 is increased. The reason why a large number of fine through-holes are formed is that the rate of temperature rise is large, so that the pyrolysis of the organometallic compound occurs rapidly, and at that time, all the organometallics change into metal particles almost simultaneously. This is presumably because the diameter of the metal particles is small and uniform.
図30及び図31は、上記製法例4により製造された電子放出装置の電子放出特性を示したグラフである。図30は、図13を参照して説明した正の所定電圧Vp(第2電圧)を一定にしたときの図13を参照して説明した負の所定電圧Vm(第1電圧)に対する電子放出量をプロットしたグラフである。図30においては、前記負の所定電圧Vmをエミッタ部13の厚さ(膜厚)により除した電界により、同負の所定電圧Vmを表している。一方、図31は、前記負の所定電圧Vm(第1電圧)を一定にしたときの前記正の所定電圧Vp(第2電圧)に対する電子放出量をプロットしたグラフである。図31においては、前記正の所定電圧Vpをエミッタ部13の厚さ(膜厚)により除した電界により、同正の所定電圧Vpを表している。 30 and 31 are graphs showing the electron emission characteristics of the electron-emitting device manufactured by the manufacturing method example 4 described above. 30 shows the electron emission amount with respect to the negative predetermined voltage Vm (first voltage) described with reference to FIG. 13 when the positive predetermined voltage Vp (second voltage) described with reference to FIG. 13 is constant. Is a graph in which is plotted. In FIG. 30, the negative predetermined voltage Vm is represented by an electric field obtained by dividing the negative predetermined voltage Vm by the thickness (film thickness) of the emitter section 13. On the other hand, FIG. 31 is a graph plotting the amount of electron emission with respect to the positive predetermined voltage Vp (second voltage) when the negative predetermined voltage Vm (first voltage) is constant. In FIG. 31, the positive predetermined voltage Vp is represented by an electric field obtained by dividing the positive predetermined voltage Vp by the thickness (film thickness) of the emitter section 13.
図32は、製法例4のステップ3において、昇温速度を変化させて製造した上部電極を有する電子放出装置の電子放出量を測定した結果を三角のプロットにより示したグラフである。図32から明らかなように、昇温速度を10℃/分より大きくとすることにより、電子放出量が増大している。この傾向は、上記製法例4のように三種類の金属(例えば、Pt、Au及びIr)を含む有機金属化合物の混合物を用いて上部電極を製造する場合のみでなく、上記製法例1又は製法例2のように、「二種類の金属を含む有機金属化合物」を用いて上部電極を製造する場合にも当てはまることが確認された。 FIG. 32 is a graph showing, as a triangular plot, the results of measuring the electron emission amount of an electron emission device having an upper electrode manufactured by changing the temperature rising rate in Step 3 of Manufacturing Method Example 4. As is apparent from FIG. 32, the electron emission amount is increased by setting the temperature rising rate to be greater than 10 ° C./min. This tendency is not limited to the case where the upper electrode is produced using a mixture of organometallic compounds containing three kinds of metals (for example, Pt, Au and Ir) as in Production Example 4, but the above Production Example 1 or Production Method is used. As in Example 2, it was confirmed that this was also true when the upper electrode was produced using “an organometallic compound containing two kinds of metals”.
実際、PtとIrとを重量%でPt:Ir=97:3として混合・攪拌したものを、上記製法と同様にエミッタ部13となる物質の上に印刷し、100℃にて乾燥後、昇温速度1400℃/分で700℃まで昇温し、その状態にて30分間保持して製造(焼成)した上部電極表面の拡大写真を図33に示した。この図33からも、「二種類以上の金属を含む有機金属化合物」を用い、且つ、昇温速度を大きくすれば、昇温速度が小さい場合に比べて極めて微細な貫通孔が多数形成されることが解る。 Actually, Pt and Ir were mixed and stirred as Pt: Ir = 97: 3 by weight%, printed on the material to be the emitter section 13 in the same manner as the above manufacturing method, dried at 100 ° C. FIG. 33 shows an enlarged photograph of the surface of the upper electrode manufactured (fired) by raising the temperature to 700 ° C. at a temperature rate of 1400 ° C./min and holding in that state for 30 minutes. Also from FIG. 33, if “an organometallic compound containing two or more kinds of metals” is used and the rate of temperature rise is increased, a large number of extremely fine through-holes are formed as compared with the case where the rate of temperature rise is small. I understand that.
(B:一種類の金属を含む有機金属化合物のみを使用する場合)
上部電極14は、銀(Ag),金(Au),イリジウム(Ir),ロジウム(Rh),ルテニウム(Ru),白金(Pt),パラジウム(Pd),アルミニウム(Al),銅(Cu),ニッケル(Ni),クロム(Cr),モリブデン(Mo),タングステン(W)及びチタン(Ti)等の金属を一種類のみ含む有機金属化合物のみを焼成しても形成することができる。なお、貴金属以外の金属においては、還元して焼成することが望ましい。
(B: When using only an organometallic compound containing one kind of metal)
The upper electrode 14 is made of silver (Ag), gold (Au), iridium (Ir), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), platinum (Pt), palladium (Pd), aluminum (Al), copper (Cu), It can be formed by firing only an organometallic compound containing only one kind of metal such as nickel (Ni), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), and titanium (Ti). For metals other than noble metals, it is desirable to reduce and fire.
但し、この場合、通常の電気炉により比較的小さい昇温速度にて加熱・焼成すると、図22に示したように、微細な径の貫通孔が形成できない。焼成させるときの温度を低くして(例えば、600℃)Ptの粒成長を抑制すれば、貫通孔の平均径を小さくすることができるが、上部電極の平坦性が悪化し、図51に示したような構造となるため、電子放出量は少なくなる。そこで、本発明においては、赤外線加熱炉を使用して非常に大きな昇温速度にて加熱・焼成を行う。これにより、平坦性が良好であり且つ極めて微小な平均径(10nm以上且つ100nm未満)を数多く有する貫通孔を備えた上部電極14を容易に形成することができる。以下、具体的製法例について述べる。 However, in this case, if heating and firing is performed with a normal electric furnace at a relatively low temperature increase rate, a through hole having a fine diameter cannot be formed as shown in FIG. If the temperature at the time of firing is lowered (for example, 600 ° C.) to suppress Pt grain growth, the average diameter of the through holes can be reduced, but the flatness of the upper electrode deteriorates, as shown in FIG. Therefore, the amount of electron emission is reduced. Therefore, in the present invention, an infrared heating furnace is used for heating and firing at a very high temperature increase rate. As a result, the upper electrode 14 having through holes having good flatness and having many extremely small average diameters (10 nm or more and less than 100 nm) can be easily formed. Hereinafter, specific examples of the production method will be described.
(B−1:一種類の金属を含む有機金属化合物を使用した製法例(製法例5)
ステップ1:所定の金属(ここでは、Pt)を一種類だけ含むペースト状の有機金属化合物をスクリーン印刷によりエミッタ部13となる物質の上面に印刷して膜状に延在させ、その後、100℃で乾燥する。
ステップ2:赤外線加熱炉により600℃まで昇温速度を20℃/秒(毎秒20℃、即ち、1200℃/分)として加熱・昇温し、その状態にて30分間保持して上記有機金属化合物を焼成(熱処理)する。
(B-1: Example of production method using organometallic compound containing one kind of metal (Production example 5)
Step 1: A paste-like organometallic compound containing only one kind of a predetermined metal (here, Pt) is printed on the upper surface of the substance to be the emitter section 13 by screen printing to extend into a film shape, and then 100 ° C. Dry with.
Step 2: Heat and heat up to 600 ° C. with an infrared heating furnace at a rate of temperature increase of 20 ° C./second (20 ° C./second, ie, 1200 ° C./minute), and hold in that state for 30 minutes to hold the organometallic compound Is fired (heat treatment).
このステップ1及びステップ2は、一種類の金属を含む有機金属化合物を前記エミッタ部となる物質の上部に膜状に延在させてから所定の温度にまで所定の昇温速度(ここでは、1200℃/分)にて昇温する昇温工程を含む工程であって同有機金属化合物を焼成することにより前記上部電極を形成する工程である。なお、この所定の昇温速度は、後述するように、毎分100℃より大きい昇温速度とすることが望ましい。 In Step 1 and Step 2, an organic metal compound containing one kind of metal is formed in a film shape on the upper part of the substance serving as the emitter portion, and then a predetermined temperature increase rate (in this case, 1200). And a step of forming the upper electrode by firing the organometallic compound. In addition, as for this predetermined temperature increase rate, it is desirable to set it as the temperature increase rate larger than 100 degree-C per minute so that it may mention later.
図34は、上述した製法例5に基づいて製造された上部電極の表面の拡大写真である。図34と図22とを比較すると明らかなように、Pt一種類のみを含む有機金属化合物を用いた場合、昇温速度を20℃/秒として昇温速度を47℃/分よりも極めて大きくすると、非常に小さい平均径の貫通孔が上部電極に容易に形成されることが理解される。 FIG. 34 is an enlarged photograph of the surface of the upper electrode manufactured based on the manufacturing method example 5 described above. As is clear from comparison between FIG. 34 and FIG. 22, when an organometallic compound containing only one kind of Pt is used, if the rate of temperature rise is 20 ° C./second and the rate of temperature rise is much higher than 47 ° C./min. It is understood that through holes having a very small average diameter are easily formed in the upper electrode.
このように、製法例5によっても、10〜100nmの径の微細な貫通孔が多量に形成され、且つ、上部電極の平坦性が良好になって図50にて示した距離dが大きくなったこと等により、電子放出量が多い電子放出装置を製造することができる。また、微細な貫通孔が多量に形成される理由は、上述した通り、昇温速度が大きいために有機金属化合物の熱分解が急激に起こる際、全ての有機金属が略同時に金属粒子へと変化し、その結果、金属粒子の径が小さく均一になるためであると推定される。 As described above, according to Production Example 5, a large amount of fine through holes having a diameter of 10 to 100 nm were formed, and the flatness of the upper electrode was improved, and the distance d shown in FIG. 50 was increased. Thus, an electron emission device with a large amount of electron emission can be manufactured. The reason why a large number of fine through-holes are formed is that, as described above, when the pyrolysis of the organometallic compound occurs rapidly due to the high temperature rise rate, all the organometallics are changed into metal particles almost simultaneously. As a result, the diameter of the metal particles is estimated to be small and uniform.
更に、図32には、製法例5のステップ2において、昇温速度を変化させて製造した上部電極を有する電子放出装置の電子放出量を測定した結果が正方形のプロットにより示されている。図32から明らかなように、一種類の金属(ここではPt)のみを含む有機金属化合物を使用した場合、昇温速度を100℃/分より大きくとすることにより、電子放出量が増大している。従って、一種類の金属のみを含む有機金属化合物を使用して上部電極を形成する場合、昇温速度は100℃/分より大きくするとよい。 Further, in FIG. 32, the result of measuring the electron emission amount of the electron emission device having the upper electrode manufactured by changing the temperature rising rate in Step 2 of Production Method 5 is shown by a square plot. As is clear from FIG. 32, when an organometallic compound containing only one kind of metal (here, Pt) is used, the electron emission amount is increased by setting the temperature rising rate to be greater than 100 ° C./min. Yes. Therefore, when the upper electrode is formed using an organometallic compound containing only one kind of metal, the rate of temperature rise should be greater than 100 ° C./min.
<有機金属化合物の熱分解について>
ところで、上部電極を形成(熱処理、焼成)する際に有機金属化合物を加熱して行くと、有機金属化合物は熱分解を起こす。この熱分解においては有機成分が焼失し、最終的に金属成分のみが残存する。この有機成分の焼失時には熱が発生する。図35は、かかる発熱の熱量と有機金属化合物の温度との関係を測定し、その結果を示したグラフである。
<About thermal decomposition of organometallic compounds>
By the way, when the organometallic compound is heated when the upper electrode is formed (heat treatment, firing), the organometallic compound is thermally decomposed. In this pyrolysis, the organic component is burned out, and finally only the metal component remains. Heat is generated when this organic component is burned out. FIG. 35 is a graph showing the results of measuring the relationship between the amount of heat generated and the temperature of the organometallic compound.
図35から明らかなように、発熱の熱量は一定の幅及びピークを有する。このピークにおける温度を分解温度と定義する。有機金属化合物の種類によっては、2箇所以上にピークが現れる(即ち、分解温度が2個以上となる。)。分解過程(熱分解過程)とは、このピークの開始温度temp1から終了温度temp2までの温度範囲において発熱が生じている過程をいう。 As is clear from FIG. 35, the amount of heat generated has a certain width and peak. The temperature at this peak is defined as the decomposition temperature. Depending on the type of the organometallic compound, peaks appear at two or more locations (that is, the decomposition temperature is two or more). The decomposition process (thermal decomposition process) is a process in which heat is generated in a temperature range from the start temperature temp1 to the end temperature temp2 of this peak.
上記製法例4及び上記製法例5の昇温工程は、少なくとも上記分解過程を含んでいる。換言すると、昇温工程中において有機金属化合物の温度が分解過程の温度範囲を通過する。なお、2箇所以上にピークが現れる場合、上記製法例4及び上記製法例5の昇温工程中に、有機金属化合物の温度が、最大のピークの開始温度temp1から終了温度temp2までの温度範囲を通過するものとする。なお、非常に小さい値ではあるが、有機金属化合物の熱分解以外の理由によりピークが現れることもある。 The temperature raising steps of Production Method Example 4 and Production Method Example 5 include at least the decomposition process. In other words, the temperature of the organometallic compound passes through the temperature range of the decomposition process during the temperature raising step. In addition, when a peak appears in two or more places, the temperature of the organometallic compound has a temperature range from the maximum peak start temperature temp1 to the end temperature temp2 during the temperature raising process of the above production method 4 and the above production method example 5. Shall pass. In addition, although it is a very small value, a peak may appear for reasons other than thermal decomposition of an organometallic compound.
<上部電極の構造について>
ここで、図24に示した上部電極(Pt:Au:Ir=93:4.5:2.5、昇温速度47℃/分、700℃で30分間保持により焼成した上部電極)を備えた電子放出装置と、図33に示した上部電極(Pt:Ir=97:3、昇温速度1400℃/分、700℃で30分間保持により焼成した上部電極)を備えた電子放出装置とについて、電子放出回数に対する電子放出量の変化を調べた。図36は、その結果を示したグラフである。なお、図36において、電子放出量は相対値により示されている。また、三角のプロットは図24に示した上部電極を備えた電子放出装置の特性を示し、四角のプロットは図33に示した上部電極を備えた電子放出装置の特性を示している。
<About the structure of the upper electrode>
Here, the upper electrode shown in FIG. 24 (Pt: Au: Ir = 93: 4.5: 2.5, temperature rising rate 47 ° C./min, upper electrode baked by holding at 700 ° C. for 30 minutes) was provided. The electron emission device and the electron emission device provided with the upper electrode shown in FIG. 33 (Pt: Ir = 97: 3, temperature rising rate 1400 ° C./minute, upper electrode fired by holding at 700 ° C. for 30 minutes) The change of the amount of electron emission with respect to the number of electron emission was investigated. FIG. 36 is a graph showing the results. In FIG. 36, the electron emission amount is shown by a relative value. Further, the triangular plot shows the characteristics of the electron-emitting device having the upper electrode shown in FIG. 24, and the square plot shows the characteristics of the electron-emitting device having the upper electrode shown in FIG.
この比較において、図24に示した上部電極は、二種類以上の金属を含む有機金属化合物を使用した上部電極としては焼成時の昇温速度を比較的小さくして焼成した上部電極の代表として採用された電極である。このような上部電極を、以下、「低昇温速度焼成上部電極」と称呼する。低昇温速度焼成上部電極には、例えば、図21、図22及び図23に示した上部電極も含まれる。一方、図33に示した上部電極は、二種類以上の金属を含む有機金属化合物を使用した上部電極としては焼成時の昇温速度を極めて大きくして焼成した上部電極の代表として採用された電極である。このような上部電極を、以下、「高昇温速度焼成上部電極」と称呼する。高昇温速度焼成上部電極には、例えば、図28及び図33に示した上部電極のほか、一種類の金属を含む有機金属化合物を使用した上部電極である図34に示した上部電極も含まれる。 In this comparison, the upper electrode shown in FIG. 24 is employed as a representative of the upper electrode fired with a relatively low temperature increase rate during firing as an upper electrode using an organometallic compound containing two or more kinds of metals. Electrode. Hereinafter, such an upper electrode is referred to as a “low temperature increase rate firing upper electrode”. The upper electrode shown in FIG. 21, FIG. 22, and FIG. On the other hand, the upper electrode shown in FIG. 33 is an electrode used as a representative of the upper electrode fired at an extremely high temperature increase rate during firing as an upper electrode using an organometallic compound containing two or more kinds of metals. It is. Hereinafter, such an upper electrode is referred to as a “high heating rate firing upper electrode”. For example, the upper electrode shown in FIG. 34, which is an upper electrode using an organometallic compound containing one kind of metal, is included in the upper electrode shown in FIGS. 28 and 33 in addition to the upper electrode shown in FIGS. .
図36から明らかなように、電子を繰り返し放出した場合、図33に示した上部電極(即ち、高昇温速度焼成上部電極)を備えた電子放出装置の方が、図24に示した上部電極(即ち、低昇温速度焼成上部電極)を備えた電子放出装置よりも、電子放出量が低下せず、より優れた耐久性を備えていた。これは、次の理由によるものと考えられる。 As is clear from FIG. 36, when electrons are repeatedly emitted, the electron emission device provided with the upper electrode shown in FIG. 33 (that is, the high heating rate firing upper electrode) is more suitable for the upper electrode shown in FIG. That is, the electron emission amount did not decrease and the durability was superior to that of the electron emission device provided with the low temperature increase rate firing upper electrode). This is considered to be due to the following reason.
低昇温速度焼成上部電極14LSは、その部分断面図である図37に示したように、相対的に大きな粒径の金属粒子が結合することにより形成されている。このため、粒子同士が結合してなる一つの塊状部分においては、エミッタ部13と上部電極14LSとの間の空間と、上部電極14LSの上方空間(上述した密閉空間)SPと、を連通する気孔が形成され難くなっている。 As shown in FIG. 37, which is a partial cross-sectional view, the low heating rate firing upper electrode 14LS is formed by combining relatively large metal particles. For this reason, in one lump portion formed by bonding particles, pores communicating the space between the emitter section 13 and the upper electrode 14LS and the upper space (sealed space) SP above the upper electrode 14LS. Is difficult to form.
この結果、電子放出装置を製造する際、上方空間SPを真空に近づけるように上方空間SPの圧力を低下させても、エミッタ部13と上部電極14LSとの間に存在している気体分子(例えば、H2O,N2,O2,CO2,炭化水素等)gasは、上部電極14LSの下面及びエミッタ部13の上面を移動するものの、上方空間SPまで到達し難い。従って、気体分子gasは、エミッタ部13と上部電極14LSとの間の空間に残存してしまう。このような気体分子gasは、電子放出動作(電子の蓄積及び放出)を行わせる際にイオン化して上部電極14LSに次第に吸着する。吸着したイオンは、上部電極14LSからエミッタ部13への電子の供給を阻害するとともに、上部電極14LSの貫通孔を介する電子の放出を阻害するようになる。この結果、低昇温速度焼成上部電極を備えた電子放出装置は、比較的早期の段階から電子放出量が低下してしまうと考えられる。 As a result, even when the pressure of the upper space SP is reduced so that the upper space SP approaches a vacuum when manufacturing the electron emission device, gas molecules (for example, between the emitter portion 13 and the upper electrode 14LS) (for example, , H 2 O, N 2 , O 2 , CO 2 , hydrocarbon, etc.) gas moves on the lower surface of the upper electrode 14LS and the upper surface of the emitter section 13, but hardly reaches the upper space SP. Therefore, the gas molecule gas remains in the space between the emitter section 13 and the upper electrode 14LS. Such gas molecules gas are ionized and gradually adsorbed to the upper electrode 14LS when the electron emission operation (accumulation and emission of electrons) is performed. The adsorbed ions inhibit the supply of electrons from the upper electrode 14LS to the emitter section 13, and also inhibit the emission of electrons through the through holes of the upper electrode 14LS. As a result, it is considered that the electron emission device provided with the low temperature rising rate firing upper electrode has a reduced electron emission amount from a relatively early stage.
これに対し、高昇温速度焼成上部電極14HSは、その部分断面図である図38に示したように、低昇温速度焼成上部電極14LSを形成する金属粒子よりも小さな粒径の金属粒子が結合することにより形成されている。このため、粒子同士が結合してなる一つの塊状部分においても、エミッタ部13と上部電極14HSとの間の空間と、上部電極14HSの上方空間SPと、を連通する気孔が多数形成されている。 On the other hand, as shown in FIG. 38 which is a partial sectional view of the high heating rate firing upper electrode 14HS, metal particles having a smaller particle diameter than the metal particles forming the low heating rate firing upper electrode 14LS are combined. It is formed by doing. For this reason, even in one lump portion formed by bonding particles, a large number of pores communicating the space between the emitter portion 13 and the upper electrode 14HS and the upper space SP of the upper electrode 14HS are formed. .
即ち、上部電極14HSは、粒子(例えば、それぞれが球状の金属粒子)同士が結合することにより形成される3次元網目構造を有する電極であるということができる。換言すると、上部電極14HSは、厚み方向において二個以上の粒子同士が化学的に結合することにより形成される多孔質体であるということもできる。更に、上部電極14HSは、金属粒子同士が一体的に結合することにより形成された塊状の(バルキーな)電極であって、厚み方向(上部電極のなす平面に直交する方向、即ち、Z軸方向)において貫通する気孔(電子放出のための貫通孔とは異なる開気孔)を有する電極であるということもできる。 That is, it can be said that the upper electrode 14HS is an electrode having a three-dimensional network structure formed by bonding particles (for example, spherical metal particles each). In other words, it can be said that the upper electrode 14HS is a porous body formed by chemically bonding two or more particles in the thickness direction. Furthermore, the upper electrode 14HS is a bulky (bulky) electrode formed by integrally bonding metal particles, and has a thickness direction (a direction perpendicular to a plane formed by the upper electrode, that is, a Z-axis direction). It can also be said that the electrode has pores penetrating therethrough (open pores different from through-holes for electron emission).
従って、電子放出装置を製造する際、上方空間SPを真空に近づけるように上方空間SPの圧力を低下させると、エミッタ部13と上部電極14HSとの間の気体分子gasは、上部電極14HSに形成されている気孔を通って上方空間SPへと移動し易い。この結果、エミッタ部13と上部電極14HSとの間の空間に残存する気体分子gasの数は少なくなる。このため、電子放出回数が増大しても、そのような気体分子gasが上部電極14HSからエミッタ部13への電子の供給を阻害することはなく、且つ、上部電極14HSの貫通孔を介する電子の放出を阻害することもない。以上が、電子放出装置に高昇温速度焼成上部電極を備えさせると、電子放出を繰り返した場合でも電子放出量が低下し難い理由であると考えられる。 Therefore, when manufacturing the electron-emitting device, if the pressure in the upper space SP is lowered so that the upper space SP approaches a vacuum, gas molecules gas between the emitter portion 13 and the upper electrode 14HS are formed in the upper electrode 14HS. It is easy to move to the upper space SP through the pores. As a result, the number of gas molecules gas remaining in the space between the emitter section 13 and the upper electrode 14HS is reduced. For this reason, even if the number of times of electron emission increases, such gas molecules gas do not hinder the supply of electrons from the upper electrode 14HS to the emitter section 13, and the electrons passing through the through holes of the upper electrode 14HS do not interfere. It does not inhibit release. The above is considered to be the reason why when the electron emission device is provided with the high temperature rising rate firing upper electrode, the electron emission amount is not easily lowered even when the electron emission is repeated.
<上部電極の平均開孔率について>
以上に述べた本発明による電子放出装置が備える種々の上部電極(電子放出量が大きい上部電極)の平均開孔率(気孔率)について計測した。平均開孔率とは、上部電極14の面積に対する、上部電極14の上面と下面とを連通する気孔(エミッタ部13を上部空間に直接露呈させる貫通孔14aのみでなく、エミッタ部13の上面と上部電極14の上面とを連通する孔を含む。)の面積の比である。
<About the average open area ratio of the upper electrode>
The average open area ratio (porosity) of various upper electrodes (upper electrodes having a large electron emission amount) included in the electron emission device according to the present invention described above was measured. The average open area ratio refers to the pores communicating the upper surface and the lower surface of the upper electrode 14 with respect to the area of the upper electrode 14 (not only the through holes 14a that directly expose the emitter portion 13 to the upper space, but also the upper surface of the emitter portion 13). (Including a hole communicating with the upper surface of the upper electrode 14)).
計測の結果、上記上部電極の平均開孔率は、5%以上且つ60%以下であった。この場合、平均開孔率は、10%以上且つ60%以下であることが更に好ましく、20%以上且つ60%以下であることが一層好ましい。これは、平均開孔率が5%未満となると、電子を放出する貫通孔14aの面積が過度に低下して電子放出量が電子放出装置としては不十分な程度にまで低下することによる。また、平均開孔率が60%より大きいと、電極として導通する部分が少なくなるためにエミッタ部13内において分極反転を発生させることが困難になり、その結果、電子放出量が電子放出装置としては不十分な程度にまで低下すること、及び、上部電極14の強度が低下する(上部電極が脆弱になる)ことによる。 As a result of measurement, the average aperture ratio of the upper electrode was 5% or more and 60% or less. In this case, the average aperture ratio is more preferably 10% or more and 60% or less, and further preferably 20% or more and 60% or less. This is because when the average hole area ratio is less than 5%, the area of the through-hole 14a that emits electrons decreases excessively, and the amount of electron emission decreases to an extent insufficient for an electron-emitting device. In addition, if the average hole area ratio is larger than 60%, it becomes difficult to cause polarization inversion in the emitter section 13 because there are few conductive portions as electrodes, and as a result, the amount of electron emission becomes as an electron emission device. Is reduced to an insufficient level, and the strength of the upper electrode 14 is reduced (the upper electrode becomes weak).
<赤外線加熱炉について>
次に、上記上部電極の製造方法にて使用する赤外線加熱炉について簡単に説明する。通常、有機金属化合物の焼成により上部電極を製造する際には、電気炉が用いられる。電気炉は、ヒータにより空気を加熱し、その空気の熱によって試料を加熱する。従って、電気炉による昇温速度は最高でも略50℃/分程度である。
<Infrared heating furnace>
Next, an infrared heating furnace used in the method for manufacturing the upper electrode will be briefly described. Usually, an electric furnace is used when manufacturing an upper electrode by baking an organometallic compound. In the electric furnace, air is heated by a heater, and the sample is heated by the heat of the air. Therefore, the rate of temperature rise by the electric furnace is about 50 ° C./min at the maximum.
これに対し、赤外線加熱炉40は、例えば、正面図である図39の(A)及び3−3線に沿った平面にて赤外線加熱炉40を切断した図39の(B)に示したように、熱反射板を内面に備えた本体41と、四隅に配置された赤外線ランプ42と、中央に配置された中空円筒状の石英管43とを備えている。加熱される試料Sは、テーブル44の上に固定され、テーブル44と共に本体41の中央部に配置される。 On the other hand, the infrared heating furnace 40 is, for example, as shown in FIG. 39A, which is a front view, and in FIG. 39B, in which the infrared heating furnace 40 is cut along a plane along line 3-3. Further, a main body 41 having a heat reflecting plate on the inner surface, infrared lamps 42 arranged at four corners, and a hollow cylindrical quartz tube 43 arranged at the center are provided. The sample S to be heated is fixed on the table 44 and is arranged in the central portion of the main body 41 together with the table 44.
赤外線加熱炉40は、赤外線ランプ42からの放射熱により試料Sを直接加熱する。従って、赤外線加熱炉40による昇温速度は最高略6000℃/分である。なお、赤外線加熱炉40は、赤外線を透過し易いものを高温にし難いという特徴を有する。このため、赤外線加熱炉40は、ガラス等を電子放出装置の基板に使用した場合、基板温度の上昇を抑えながら電極等の焼成を行うことができるという利点をもたらす。このように、赤外線加熱炉40は、非常に大きい昇温速度にて試料Sを加熱することができるので、上記製法例4及び上記製法例5のような上部電極の製造方法に好適である。 The infrared heating furnace 40 directly heats the sample S by radiant heat from the infrared lamp 42. Therefore, the rate of temperature increase by the infrared heating furnace 40 is a maximum of about 6000 ° C./min. Note that the infrared heating furnace 40 has a feature that it is difficult to increase the temperature that easily transmits infrared rays. For this reason, the infrared heating furnace 40 has an advantage that when the glass or the like is used for the substrate of the electron emission device, the electrode or the like can be fired while suppressing an increase in the substrate temperature. Thus, since the infrared heating furnace 40 can heat the sample S at a very high temperature increase rate, it is suitable for the manufacturing method of the upper electrode as in Production Method Example 4 and Production Method Example 5.
なお、試料Sを大きい昇温速度にて加熱する方法としては、赤外線加熱の他、マイクロ波やミリ波を用いる電磁波照射プロセス、放電プラズマや熱プラズマを用いるプラズマプロセス、レーザ照射プロセス及び誘導加熱プロセス等がある。これらも、上記製法例4及び上記製法例5に適用することができる。 In addition, as a method of heating the sample S at a high temperature increase rate, in addition to infrared heating, an electromagnetic wave irradiation process using microwaves or millimeter waves, a plasma process using discharge plasma or thermal plasma, a laser irradiation process, and an induction heating process Etc. These can also be applied to Production Method Example 4 and Production Method Example 5.
次に、本発明の他の実施形態に係る電子放出装置50について、図40を参照しながら説明する。この電子放出装置50は、電子放出装置10と同様の構成を備えている。更に、電子放出装置50は、エミッタ部13の上面であって上部電極14と所定の距離だけ離間している部分及び/又はエミッタ部13の上面であって貫通孔14aにより外部に露出している部分に、放出される電子量を増大する電子放出促進層51を備えている。 Next, an electron emission device 50 according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The electron emission device 50 has the same configuration as the electron emission device 10. Furthermore, the electron emission device 50 is exposed to the outside through the through hole 14a on the upper surface of the emitter portion 13 and a portion separated from the upper electrode 14 by a predetermined distance and / or the upper surface of the emitter portion 13. The portion is provided with an electron emission promoting layer 51 that increases the amount of electrons emitted.
この電子放出促進層51は、例えば、シリコン(Si)を含む化合物からなり、ファイバー状(糸状)の層である。電子放出促進層51は、絶縁体、半導体及び導体のいずれであってもよく、それぞれ、以下のような利点を有する。 The electron emission promoting layer 51 is made of a compound containing silicon (Si), for example, and is a fiber-like (thread-like) layer. The electron emission promoting layer 51 may be any of an insulator, a semiconductor, and a conductor, and has the following advantages.
(電子放出促進層が絶縁体からなる場合の利点)
エミッタ部13の分極反転により電子が放出される際、エミッタ部13の表面の電子の一部はエミッタ部13の上部(エミッタ部13の表面抵抗が生じている部分)に沿って移動し、エミッタ部13と上部電極14とが接触している部分にて上部電極14に回収されてしまう。電子放出促進層51が絶縁体であれば、エミッタ部13の上面の近傍における同上面に沿った方向の抵抗率(表面抵抗率)が高くなるので、このような上部電極14に回収される電子の割合が低下する。その結果、電子放出量が増大する。
(Advantages when the electron emission promoting layer is made of an insulator)
When electrons are emitted by the polarization reversal of the emitter section 13, a part of the electrons on the surface of the emitter section 13 moves along the upper portion of the emitter section 13 (the portion where the surface resistance of the emitter section 13 is generated). The portion 13 and the upper electrode 14 are collected by the upper electrode 14 at the portion where they are in contact. If the electron emission promoting layer 51 is an insulator, the resistivity (surface resistivity) in the direction along the upper surface in the vicinity of the upper surface of the emitter section 13 is increased. The ratio of decreases. As a result, the amount of electron emission increases.
また、電子放出促進層51が絶縁体であり、且つ、ファイバー状であると、エミッタ部13の上面の表面積が増大する。その結果、蓄積できる電子量が増大し、電子放出量が増大する。 Further, when the electron emission promoting layer 51 is an insulator and has a fiber shape, the surface area of the upper surface of the emitter section 13 increases. As a result, the amount of electrons that can be accumulated increases and the amount of electron emission increases.
(電子放出促進層が半導体あるいは導体からなる場合の利点)
半導体あるいは導体の電子放出促進層51が存在していない場合のエミッタ部13と同エミッタ部13に蓄積されている電子との間の親和力よりも、半導体あるいは導体の電子放出促進層51と同エミッタ部13に蓄積されている電子との間の親和力の方が小さくなる。これにより、エミッタ部13の分極反転によって電子が放出されるとき、その電子に与えられるエネルギーが大きくなる。その結果、貫通孔14aを通過しようとするときに上部電極14に回収されてしまう電子の割合が減少し、電子放出量が増大する。
(Advantages when the electron emission promoting layer is made of a semiconductor or conductor)
When the semiconductor or conductor electron emission promoting layer 51 is not present, the affinity between the emitter 13 and the electrons accumulated in the emitter 13 is higher than that of the semiconductor or conductor electron emitting promoting layer 51 and the emitter. The affinity with the electrons stored in the part 13 is smaller. Thereby, when electrons are emitted by the polarization inversion of the emitter section 13, the energy given to the electrons increases. As a result, the proportion of electrons collected by the upper electrode 14 when attempting to pass through the through hole 14a decreases, and the amount of electron emission increases.
また、電子放出促進層51が半導体あるいは導体であり、且つ、ファイバー状であると、電子放出促進層(特に、ファイバー先端)に電界が集中する。これにより、エミッタ部13の上部に蓄積されていた電子のうち、分極反転により放出される電子の割合が増大する。この結果、電子放出量が増大する。この場合、電子放出促進層51が、仕事関数の小さい導体あるいは電子親和力の小さい半導体からなっていれば、それぞれ電子放出量を効果的に増大することができる。 Further, when the electron emission promoting layer 51 is a semiconductor or a conductor and has a fiber shape, an electric field concentrates on the electron emission promoting layer (particularly, the fiber tip). Thereby, the ratio of the electrons emitted by polarization inversion among the electrons accumulated in the upper part of the emitter section 13 increases. As a result, the amount of electron emission increases. In this case, if the electron emission promoting layer 51 is made of a conductor having a small work function or a semiconductor having a small electron affinity, the amount of electron emission can be effectively increased.
なお、電子放出促進層51を上部電極14の表面に形成することも電子放出量を増大するために有利である。この場合、電子放出促進層51が絶縁体であると、上述した密閉空間内に残存しているイオン性の物質による上部電極14への攻撃を抑制することができる。その結果、上部電極51の耐久性を向上することができる。 It is advantageous to form the electron emission promoting layer 51 on the surface of the upper electrode 14 in order to increase the amount of electron emission. In this case, if the electron emission promoting layer 51 is an insulator, an attack on the upper electrode 14 by the ionic substance remaining in the sealed space can be suppressed. As a result, the durability of the upper electrode 51 can be improved.
また、電子放出促進層51が上部電極14を構成する部材よりも仕事関数が小さい導体、あるいは電子との間の親和力(電子親和力)が小さい半導体であると、エミッタ部13への電子蓄積時における上部電極14からエミッタ部13への電子の供給量が増大する。この結果、エミッタ部13の上部に蓄積される電子が増加し、もって、電子放出量が増大する。電子放出促進層51がファイバー状の半導体あるいは導体であると、エミッタ部13への電子蓄積時においてファイバーの先端での電界集中強度が増大する。この結果、エミッタ部13の上部に蓄積される電子が増加し、もって、電子放出量が増大する。この場合、導体は仕事関数の小さい導体であり、半導体は電子親和力の小さい半導体であることが好ましい。 Further, when the electron emission promoting layer 51 is a conductor having a work function smaller than that of the member constituting the upper electrode 14 or a semiconductor having a small affinity (electron affinity) with electrons, the electron emission promoting layer 51 can accumulate electrons in the emitter section 13. The amount of electrons supplied from the upper electrode 14 to the emitter section 13 increases. As a result, the number of electrons accumulated in the upper part of the emitter section 13 increases, and the amount of electron emission increases. When the electron emission promoting layer 51 is a fiber-like semiconductor or conductor, the electric field concentration intensity at the tip of the fiber increases when electrons are accumulated in the emitter section 13. As a result, the number of electrons accumulated in the upper part of the emitter section 13 increases, and the amount of electron emission increases. In this case, the conductor is preferably a conductor having a low work function, and the semiconductor is preferably a semiconductor having a low electron affinity.
このように電子放出促進層51を備えた電子放出装置にあっても、上部電極14の貫通孔14aの平均径は10nm以上且つ100nm未満であることが望ましい。なお、このような電子放出促進層51は、上述の製法例4及び製法例5のように、赤外線加熱炉を用いて昇温速度を大きくする(昇温工程中に有機金属化合物の分解過程が発生するような昇温速度とする)ことにより形成され得る。 As described above, even in the electron emission device including the electron emission promoting layer 51, it is desirable that the average diameter of the through holes 14a of the upper electrode 14 is 10 nm or more and less than 100 nm. In addition, the electron emission promoting layer 51 increases the rate of temperature rise using an infrared heating furnace as in Production Example 4 and Production Example 5 described above (the decomposition process of the organometallic compound occurs during the temperature raising step). (The heating rate is such that it is generated).
電子放出促進層51がある場合とない場合との電子放出量の差について測定した結果を表1に示す。このように、電子放出促進層51を設けることにより、極めて大きな電子放出量を得ることができる。
(駆動電圧付与回路の具体例)
次に、上述した駆動電圧付与回路21の具体的構成及び作動について説明する。
(Specific example of drive voltage application circuit)
Next, a specific configuration and operation of the drive voltage application circuit 21 described above will be described.
駆動電圧付与回路21は、図41に示したように、行選択回路21a、パルス発生源21b及び信号供給回路21cを備えている。図41において、符合D11、D12、…D22、D23などが付されたものは、それぞれ、前述した一つの素子(上部電極14と下部電極12とが重なった部分により構成される電子放出素子)を示している。また、この例における電子放出装置10は、行方向にn個、列方向にm個の素子を備えている。 As shown in FIG. 41, the drive voltage application circuit 21 includes a row selection circuit 21a, a pulse generation source 21b, and a signal supply circuit 21c. In FIG. 41, the symbols D11, D12,... D22, D23, etc. are attached to the above-described one element (electron emitting element constituted by a portion where the upper electrode 14 and the lower electrode 12 overlap). Show. Further, the electron-emitting device 10 in this example includes n elements in the row direction and m elements in the column direction.
行選択回路21aは、信号制御回路100の制御信号線100aと、電源回路110の正極ライン110p及び負極ライン110mとに接続されている。行選択回路21aは、更に、複数の行選択線LLと接続されている。行選択線LLのそれぞれは一群をなす複数の素子(同一行上の素子)の下部電極12と接続されている。例えば、行選択線LL1は第1行の素子D11、D12、D13、…D1mの各下部電極12と接続され、行選択線LL2は第2行の素子D21、D22、D23、…D2mの各下部電極12と接続されている。 The row selection circuit 21a is connected to the control signal line 100a of the signal control circuit 100 and the positive line 110p and the negative line 110m of the power supply circuit 110. The row selection circuit 21a is further connected to a plurality of row selection lines LL. Each row selection line LL is connected to the lower electrode 12 of a plurality of elements (elements on the same row) forming a group. For example, the row selection line LL1 is connected to the lower electrodes 12 of the elements D11, D12, D13,... D1m in the first row, and the row selection line LL2 is the lower portions of the elements D21, D22, D23,. It is connected to the electrode 12.
行選択回路21aは、電子を各素子のエミッタ部13に蓄積させる電荷蓄積期間Tdにおいて、信号制御回路100からの制御信号に応答して行選択線LLの一つに対し一定の期間(行選択期間)Tsだけ選択信号Ss(ここでは、50Vの電圧信号)を出力し、残りの行選択線LLに非選択信号Sn(ここでは、0Vの電圧信号)を出力するようになっている。行選択回路21aは、選択信号Ssを出力する行選択線LLを、一定の行選択期間Ts毎に順次変更して行くようになっている。 In the charge accumulation period Td in which electrons are accumulated in the emitter section 13 of each element, the row selection circuit 21a responds to a control signal from the signal control circuit 100 for a certain period (row selection line LL). (Period) A selection signal Ss (here, a voltage signal of 50 V) is output only for Ts, and a non-selection signal Sn (here, a voltage signal of 0 V) is output to the remaining row selection lines LL. The row selection circuit 21a sequentially changes the row selection line LL that outputs the selection signal Ss every fixed row selection period Ts.
パルス発生源21bは、電荷蓄積期間Tdにおいて基準電圧(ここでは、0V)を発生するとともに、発光期間(点灯期間、電子放出期間)Thにおいて所定の一定電圧(ここでは、−400V)を発生するようになっている。パルス発生源21bは、電源回路110の負極ライン110mとグランド(GND)との間に接続されている。 The pulse generation source 21b generates a reference voltage (here, 0V) in the charge accumulation period Td, and generates a predetermined constant voltage (here, -400V) in the light emission period (lighting period, electron emission period) Th. It is like that. The pulse generation source 21b is connected between the negative electrode line 110m of the power supply circuit 110 and the ground (GND).
信号供給回路21cには、信号制御回路100の制御信号線100bと、電源回路110の正極ライン110p及び負極ライン110mと、が接続されている。信号供給回路21cは、内部に、パルス生成回路21c1と振幅変調回路21c2とを備えている。 The control signal line 100b of the signal control circuit 100 and the positive line 110p and the negative line 110m of the power supply circuit 110 are connected to the signal supply circuit 21c. The signal supply circuit 21c includes a pulse generation circuit 21c1 and an amplitude modulation circuit 21c2 inside.
パルス生成回路21c1は、電荷蓄積期間Tdにおいて一定のパルス周期で一定の振幅(ここでは、50V)を有するパルス信号Spを出力するとともに、発光期間Thにおいて基準電圧(ここでは、0V)を出力するようになっている。 The pulse generation circuit 21c1 outputs a pulse signal Sp having a constant amplitude (here, 50V) at a constant pulse period in the charge accumulation period Td, and outputs a reference voltage (here, 0V) in the light emission period Th. It is like that.
振幅変調回路21c2は、パルス生成回路21c1からのパルス信号Spを入力するように、パルス生成回路21c1と接続されている。また、振幅変調回路21c2は、複数の画素信号線ULと接続されている。画素信号線ULのそれぞれは一群をなす複数の素子(同一列上の素子)の上部電極14と接続されている。例えば、画素信号線UL1は第1列の素子D11、D21、…Dn1の各上部電極14と接続され、画素信号線UL2は第2列の素子D12、D22、…Dn2の各上部電極14と接続され、画素信号線UL3は第3列の素子D13、D23、…Dn3の各上部電極と接続されている。 The amplitude modulation circuit 21c2 is connected to the pulse generation circuit 21c1 so as to input the pulse signal Sp from the pulse generation circuit 21c1. The amplitude modulation circuit 21c2 is connected to a plurality of pixel signal lines UL. Each of the pixel signal lines UL is connected to the upper electrode 14 of a plurality of elements (elements on the same column) forming a group. For example, the pixel signal line UL1 is connected to the upper electrodes 14 of the elements D11, D21,... Dn1 in the first column, and the pixel signal line UL2 is connected to the upper electrodes 14 of the elements D12, D22,. The pixel signal line UL3 is connected to the upper electrodes of the elements D13, D23,... Dn3 in the third column.
振幅変調回路21c2は、電荷蓄積期間Tdにおいてパルス信号Spを選択されている行の画素の輝度レベルに応じて振幅変調し、その振幅変調した信号(ここでは、0、30、50Vの何れかの電圧信号)を画素信号Sdとして複数の画素信号線UL(UL1、UL2、…ULm)に出力するようになっている。更に、振幅変調回路21c2は、発光期間Thにおいて、パルス生成回路21c1が発生する基準電圧(0V)をそのまま出力するようになっている。 The amplitude modulation circuit 21c2 modulates the amplitude of the pulse signal Sp according to the luminance level of the pixel in the selected row in the charge accumulation period Td, and the amplitude-modulated signal (here, any of 0, 30, 50V) Voltage signal) is output as a pixel signal Sd to a plurality of pixel signal lines UL (UL1, UL2,... ULm). Further, the amplitude modulation circuit 21c2 outputs the reference voltage (0V) generated by the pulse generation circuit 21c1 as it is during the light emission period Th.
信号制御回路100は、映像信号Sv及び同期信号Scを入力し、これらの入力信号に基づいて行選択回路21aを制御する信号と信号供給回路21cを制御する信号とを、信号線100a及び信号線100bにそれぞれ出力するようになっている。 The signal control circuit 100 receives the video signal Sv and the synchronization signal Sc and, based on these input signals, a signal for controlling the row selection circuit 21a and a signal for controlling the signal supply circuit 21c are supplied to the signal line 100a and the signal line. 100b is output.
電源回路110は、正極ライン110pの電位を負極ライン110mの電位よりも一定電圧(ここでは50V)だけ高くするための電圧信号を正極ライン110p及び負極ライン110mに出力するようになっている。 The power supply circuit 110 outputs a voltage signal for making the potential of the positive line 110p higher than the potential of the negative line 110m by a certain voltage (here, 50V) to the positive line 110p and the negative line 110m.
次に、このように構成された回路の作動について説明する。先ず、ある時点にて始まる電荷蓄積期間Tdの開始時において、行選択回路21aは、信号制御回路100からの制御信号に基づいて第1行の行選択線LL1に選択信号Ss(50V)を出力し、他の行選択線LLに非選択信号Sn(0V)を出力する。 Next, the operation of the circuit thus configured will be described. First, at the start of the charge accumulation period Td that starts at a certain time, the row selection circuit 21a outputs a selection signal Ss (50V) to the row selection line LL1 of the first row based on a control signal from the signal control circuit 100. Then, the non-selection signal Sn (0 V) is output to the other row selection line LL.
これにより、第1行の素子D11、D12、D13、…D1mの各下部電極12の電位が選択信号Ssの電圧(50V)となる。また、他の素子(例えば、第2行の素子D21…D2m、第3行の素子D31…D3m)の各下部電極12の電位は非選択信号Snの電圧(0V)となる。 Accordingly, the potential of each lower electrode 12 of the elements D11, D12, D13,... D1m in the first row becomes the voltage (50 V) of the selection signal Ss. Further, the potentials of the lower electrodes 12 of other elements (for example, the elements D21 to D2m in the second row and the elements D31 to D3m in the third row) become the voltage (0 V) of the non-selection signal Sn.
このとき、信号供給回路21cは、信号制御回路100からの制御信号に基づいて、選択されている行の素子(即ち、第1行の素子D11、D12、D13、…D1m)のそれぞれにより構成される各画素の輝度レベルに応じた画素信号Sd(ここでは、0、30、50Vの何れかの電圧信号)を複数の画素信号線UL(UL1、UL2、…ULm)に出力する。この画素信号Sdと選択信号Ssとの電位差が駆動電圧Vinとなる。 At this time, the signal supply circuit 21c is configured by each of the elements in the selected row (that is, the elements D11, D12, D13,... D1m in the first row) based on the control signal from the signal control circuit 100. A pixel signal Sd (here, any voltage signal of 0, 30, 50 V) corresponding to the luminance level of each pixel is output to a plurality of pixel signal lines UL (UL1, UL2,... ULm). The potential difference between the pixel signal Sd and the selection signal Ss becomes the drive voltage Vin.
この場合、例えば、画素信号線UL1に0Vの画素信号Sdが付与されたと仮定すると、素子D11の上部電極14と下部電極12との電位差である素子電圧Vka(D11)は、最終的に負の所定電圧Vmである−50V(=0V−50V)に収束する。これにより、非常に多くの電子が素子D11の上部電極14近傍のエミッタ部13に蓄積される。 In this case, for example, assuming that the pixel signal Sd of 0 V is applied to the pixel signal line UL1, the element voltage Vka (D11) that is a potential difference between the upper electrode 14 and the lower electrode 12 of the element D11 is finally negative. It converges to -50V (= 0V-50V) which is the predetermined voltage Vm. Thereby, a very large number of electrons are accumulated in the emitter section 13 near the upper electrode 14 of the element D11.
また、画素信号線UL2に30Vの画素信号Sdが付与されたと仮定すると、素子電圧Vka(D12)は最終的に−20V(=30V−50V)となる。これにより、素子D11よりは少ない電子が素子D12の上部電極14の近傍のエミッタ部13に蓄積される。 Further, assuming that the pixel signal Sd of 30 V is applied to the pixel signal line UL2, the element voltage Vka (D12) finally becomes −20 V (= 30 V-50 V). Thereby, fewer electrons than the element D11 are accumulated in the emitter section 13 near the upper electrode 14 of the element D12.
更に、画素信号線UL3に50Vの画素信号Sdが付与されたと仮定すると、素子D13の素子電圧Vka(D13)は0V(=50V−50V)となる。従って、素子D13のエミッタ部13には電子が蓄積されない。つまり、素子D13のエミッタ部13には分極反転が発生しない。 Furthermore, assuming that the pixel signal Sd of 50 V is applied to the pixel signal line UL3, the element voltage Vka (D13) of the element D13 is 0 V (= 50 V−50 V). Accordingly, no electrons are accumulated in the emitter section 13 of the element D13. That is, no polarization inversion occurs in the emitter section 13 of the element D13.
次いで、行選択期間Ts(選択された素子に電子を蓄積させるために十分な時間)が経過すると、行選択回路21aは、信号制御回路100からの制御信号に基づいて第2行の行選択線LL2に選択信号Ssを出力し、他の行選択線に非選択信号Sn(0V)を出力する。 Next, when a row selection period Ts (a time sufficient for accumulating electrons in the selected element) has elapsed, the row selection circuit 21a performs the row selection line of the second row based on the control signal from the signal control circuit 100. The selection signal Ss is output to LL2, and the non-selection signal Sn (0 V) is output to the other row selection lines.
これにより、第2行の素子D21、D22、D23、…D2mの各下部電極12の電位が選択信号Ssの電圧(50V)となる。また、他の素子(例えば、第1行の素子D11…D1m、第3行の素子D31…D3m)の各下部電極12の電位は非選択信号Snの電圧(0V)となる。 Thereby, the potential of each lower electrode 12 of the elements D21, D22, D23,... D2m in the second row becomes the voltage (50 V) of the selection signal Ss. Further, the potentials of the lower electrodes 12 of other elements (for example, the elements D11 to D1m in the first row and the elements D31 to D3m in the third row) become the voltage (0 V) of the non-selection signal Sn.
一方、信号供給回路21cは、信号制御回路100からの制御信号に基づいて、選択されている行の素子(即ち、第2行の素子D21、D22、D23、…D2m)のそれぞれにより構成される各画素の輝度レベルに応じた画素信号Sd(0、30、50Vの何れかの電圧信号)を複数の画素信号線UL(UL1、UL2、…ULm)に出力する。この結果、第2行の素子D21、D22、D23、…D2mの各エミッタ部に、画素信号Sdに応じた量の電子が蓄積されて行く。 On the other hand, the signal supply circuit 21c is configured by each of the elements in the selected row (that is, the elements D21, D22, D23,... D2m in the second row) based on the control signal from the signal control circuit 100. A pixel signal Sd (a voltage signal of 0, 30, or 50 V) corresponding to the luminance level of each pixel is output to a plurality of pixel signal lines UL (UL1, UL2,... ULm). As a result, an amount of electrons corresponding to the pixel signal Sd is accumulated in the emitters of the elements D21, D22, D23,... D2m in the second row.
なお、非選択信号Snの電圧(0V)が下部電極に付与されている素子の素子電圧Vkaは0V(この場合、上部電極の電位=0V、下部電極の電位=0V)、30V(この場合、上部電極の電位=30V、下部電極の電位=0V)又は50V(この場合、上部電極の電位=50V、下部電極の電位=0V)となるが、この程度の電圧では既に電子が蓄積されている素子の分極反転が発生せず同素子から電子が放出されることはない。 The element voltage Vka of the element to which the voltage (0V) of the non-selection signal Sn is applied to the lower electrode is 0V (in this case, the upper electrode potential = 0V, the lower electrode potential = 0V), 30V (in this case, The potential of the upper electrode = 30V, the potential of the lower electrode = 0V) or 50V (in this case, the potential of the upper electrode = 50V, the potential of the lower electrode = 0V), but electrons are already accumulated at this level of voltage. No polarization inversion of the element occurs and no electrons are emitted from the element.
更に、行選択期間Tsが経過すると、行選択回路21aは、第3行の行選択線LL3(図示省略)に選択信号Ssを出力するとともに、他の行選択線に非選択信号Sn(0V)を出力する。また、信号供給回路21cは、選択されている第3行の素子のそれぞれにより構成される各画素の輝度レベルに応じた画素信号Sdを複数の画素信号線ULに出力する。このような動作が、行選択期間Tsの経過毎に総ての行が選択されるまで繰り返される。この結果、所定の時点になると、すべての素子のエミッタ部13に、各素子が構成する画素の輝度レベルに応じた量(「0」を含む量)の電子が蓄積される。以上が、電荷蓄積期間Tdにおける作動である。 Further, when the row selection period Ts elapses, the row selection circuit 21a outputs the selection signal Ss to the row selection line LL3 (not shown) of the third row and the non-selection signal Sn (0 V) to the other row selection lines. Is output. In addition, the signal supply circuit 21c outputs pixel signals Sd corresponding to the luminance levels of the respective pixels configured by the selected elements in the third row to the plurality of pixel signal lines UL. Such an operation is repeated until all rows are selected every time the row selection period Ts elapses. As a result, at a predetermined point in time, electrons (amount including “0”) corresponding to the luminance level of the pixels formed by the respective elements are accumulated in the emitter sections 13 of all the elements. The above is the operation in the charge accumulation period Td.
次いで、行選択回路21aは、発光期間Thを開始するために、総ての行選択線LLに対して大きな負の電圧(ここでは、電源回路110の発生する+50Vとパルス発生源21bが発生する−400Vの差である−350V)を印加する。これにより、総ての素子の下部電極12の電位は大きな負の電圧(−350V)へと変化する。同時に、信号供給回路21cは、振幅変調回路21c2を介してパルス生成回路21c1が発生する基準電圧(0V)をそのまま総ての画素信号線ULに出力する。これにより、総ての素子の上部電極14の電位は基準電圧(0V)となる。 Next, the row selection circuit 21a generates a large negative voltage (here, + 50V generated by the power supply circuit 110 and the pulse generation source 21b) with respect to all the row selection lines LL in order to start the light emission period Th. -350V) which is a difference of -400V is applied. As a result, the potentials of the lower electrodes 12 of all the elements change to a large negative voltage (−350 V). At the same time, the signal supply circuit 21c outputs the reference voltage (0 V) generated by the pulse generation circuit 21c1 through the amplitude modulation circuit 21c2 to all the pixel signal lines UL as it is. Thereby, the potentials of the upper electrodes 14 of all the elements become the reference voltage (0 V).
この結果、分極反転が再び発生し、それぞれの素子のエミッタ部13に蓄積されていた電子はクーロン反発力によって一斉に放出させられる。この結果、各素子の上部に位置する蛍光体が発光し、画像が表示される。なお、電荷蓄積期間Tdにおいて駆動電圧Vinが「0」とされることにより電子を蓄積していなかった素子のエミッタ部においては、分極反転が発生していないので、駆動電圧Vinが大きな正の電圧となったときも分極反転は発生しない。従って、例えば、あるタイミングにおいて画像の関係から電子を放出する必要の無い素子は、分極反転に伴う無駄な電力を消費することがない。 As a result, the polarization inversion occurs again, and the electrons accumulated in the emitter portions 13 of the respective elements are emitted all at once by the Coulomb repulsive force. As a result, the phosphor located above each element emits light, and an image is displayed. In the emitter portion of the element that has not accumulated electrons due to the drive voltage Vin being “0” during the charge accumulation period Td, no polarization inversion has occurred, so that the drive voltage Vin has a large positive voltage. When this occurs, polarization inversion does not occur. Therefore, for example, an element that does not need to emit electrons due to an image relationship at a certain timing does not consume useless power associated with polarization inversion.
このように、駆動電圧付与回路21は、電荷蓄積期間Tdにおいて、複数の素子の各々に対する駆動電圧Vinを順次連続的に負の所定電圧である第1電圧Vmとして行く。その後、駆動電圧付与回路21は、総ての素子に対する電子の蓄積動作が完了すると、総ての素子に対する駆動電圧Vinを同時に正の所定電圧である第2電圧Vpとして同複数の総ての素子から一斉に電子を放出させ、発光期間Thを開始する。更に、その後、所定の発光期間Thが経過すると、駆動電圧付与回路21は再び電荷蓄積期間Tdを開始する。 As described above, the drive voltage application circuit 21 sequentially sets the drive voltage Vin for each of the plurality of elements as the first voltage Vm, which is a negative predetermined voltage, sequentially in the charge accumulation period Td. Thereafter, when the operation of accumulating electrons for all the elements is completed, the drive voltage applying circuit 21 simultaneously sets the drive voltage Vin for all the elements as the second voltage Vp, which is a positive predetermined voltage, for all the plurality of elements. The electrons are emitted all at once and the light emission period Th is started. Further, thereafter, when a predetermined light emission period Th elapses, the drive voltage application circuit 21 starts the charge accumulation period Td again.
以上、説明したように、本発明による電子放出装置は、平均径が10〜100nmという微細な貫通孔を上部電極に形成しているので、より多くの電子を効率的に放出することができる。なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。 As described above, since the electron emitting device according to the present invention has fine through holes with an average diameter of 10 to 100 nm formed in the upper electrode, more electrons can be efficiently emitted. In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention.
例えば、本発明の変形例に係る電子放出装置20は、図42に示したように、電子放出装置10のコレクタ電極18及び蛍光体19をコレクタ電極18’及び蛍光体19’に置換した装置である。 For example, as shown in FIG. 42, the electron emission apparatus 20 according to the modification of the present invention is an apparatus in which the collector electrode 18 and the phosphor 19 of the electron emission apparatus 10 are replaced with the collector electrode 18 ′ and the phosphor 19 ′. is there.
電子放出装置20においては、透明板17の裏面(上部電極14と対向する面)に蛍光体19’が形成され、蛍光体19’を覆うようにコレクタ電極18’が形成されている。コレクタ電極18’は、エミッタ部13から上部電極14の貫通孔14aを通して放出された電子が貫通できる程度の厚さを有するように形成されている。この場合、コレクタ電極18’の厚さは100nm以下であることが望ましい。コレクタ電極18’の厚さは、放出された電子の運動エネルギーが大きいほど大きくすることができる。 In the electron emission device 20, a phosphor 19 'is formed on the back surface (the surface facing the upper electrode 14) of the transparent plate 17, and a collector electrode 18' is formed so as to cover the phosphor 19 '. The collector electrode 18 ′ is formed to have a thickness that allows electrons emitted from the emitter section 13 through the through hole 14 a of the upper electrode 14 to penetrate. In this case, it is desirable that the collector electrode 18 'has a thickness of 100 nm or less. The thickness of the collector electrode 18 'can be increased as the kinetic energy of the emitted electrons increases.
係る構成は、CRT等に採用される構成である。コレクタ電極18’はメタルバックとして機能する。エミッタ部13から上部電極14の貫通孔14aを通して放出された電子はコレクタ電極18’を貫通して蛍光体19’に進入し、蛍光体19’を励起し、発光を生ぜしめる。この電子放出装置20は、以下の効果を奏することができる。 Such a configuration is a configuration employed in a CRT or the like. The collector electrode 18 'functions as a metal back. Electrons emitted from the emitter section 13 through the through-hole 14a of the upper electrode 14 penetrate the collector electrode 18 'and enter the phosphor 19' to excite the phosphor 19 'and produce light emission. The electron emission device 20 can achieve the following effects.
(a)蛍光体19’が導電性でない場合、蛍光体19’が帯電(負に帯電)することを回避することができる。この結果、電子を加速させる電界を維持することができる。
(b)コレクタ電極18’により蛍光体19’が発生した光が反射されるので、その光を効率よく透明板17側(発光面側)に放出させることができる。
(c)蛍光体19’への過度の電子の衝突を防ぐことができるので、蛍光体19’の劣化や蛍光体19’からガスが発生することを回避することができる。
(A) When the phosphor 19 ′ is not conductive, the phosphor 19 ′ can be prevented from being charged (negatively charged). As a result, an electric field that accelerates electrons can be maintained.
(B) Since the light generated by the phosphor 19 ′ is reflected by the collector electrode 18 ′, the light can be efficiently emitted to the transparent plate 17 side (light emitting surface side).
(C) Since excessive collision of electrons with the phosphor 19 ′ can be prevented, deterioration of the phosphor 19 ′ and generation of gas from the phosphor 19 ′ can be avoided.
また、本発明による他の変形例に係る電子放出装置は、図43に示したように、集束電極16が平面視において互いにX軸方向において隣接する上部電極14の間のみだけでなく、Y軸方向において互いに隣接する上部電極14の間にも形成されいる。 In addition, as shown in FIG. 43, the electron emission device according to another modification of the present invention includes not only the upper electrodes 14 adjacent to each other in the X-axis direction but also the Y-axis. It is also formed between the upper electrodes 14 adjacent to each other in the direction.
これによれば、ある素子の上部電極14から放出された電子はX軸方向において隣接する他の素子の上部電極14の上方にある蛍光体に到達しない。従って、色純度を良好に維持することができる。更に、この例では、Y軸方向において互いに隣接する二つの素子の各上部電極14の間にも集束電極16が形成されているので、ある上部電極14から放出された電子はY軸方向において隣接する上部電極14の上方にある蛍光体にも到達しない。この結果、画像パターンがにじむことを回避することができる。 According to this, the electrons emitted from the upper electrode 14 of a certain element do not reach the phosphor above the upper electrode 14 of another element adjacent in the X-axis direction. Therefore, the color purity can be maintained satisfactorily. Further, in this example, since the focusing electrode 16 is formed between the upper electrodes 14 of two elements adjacent to each other in the Y-axis direction, electrons emitted from a certain upper electrode 14 are adjacent in the Y-axis direction. The phosphor above the upper electrode 14 does not reach. As a result, it is possible to avoid bleeding of the image pattern.
更に、図44に示したように、本発明による電子放出装置は、一つの略正方形の画素PX内に4つの素子(従って、4つの上部電極14である第1上部電極14−1,第2上部電極14−2,第3上部電極14−3,第4上部電極14−4)と、集束電極16とを備えていてもよい。この場合、例えば、第1上部電極14−1の直上には図示しない緑色蛍光体が配設され、第2上部電極14−2及び第4上部電極14−4の直上には図示しない赤色蛍光体が配設され、第3上部電極14−3の直上には図示しない青色蛍光体が配設される。集束電極16は、各上部電極14を取り囲むように各上部電極14の周囲に形成されている。これによれば、ある素子の上部電極14から放出された電子はその上部電極14の直上に配置された蛍光体のみに到達するから、色純度を良好に維持するとともに画像パターンのにじみを回避することができる。 Furthermore, as shown in FIG. 44, the electron-emitting device according to the present invention includes four elements (thus, four upper electrodes 14, the first upper electrode 14-1 and the second upper electrode 14-2, in one substantially square pixel PX. The upper electrode 14-2, the third upper electrode 14-3, the fourth upper electrode 14-4), and the focusing electrode 16 may be provided. In this case, for example, a green phosphor (not shown) is disposed immediately above the first upper electrode 14-1, and a red phosphor (not shown) is directly above the second upper electrode 14-2 and the fourth upper electrode 14-4. A blue phosphor (not shown) is disposed immediately above the third upper electrode 14-3. The focusing electrode 16 is formed around each upper electrode 14 so as to surround each upper electrode 14. According to this, since the electrons emitted from the upper electrode 14 of a certain element reach only the phosphor disposed immediately above the upper electrode 14, the color purity is maintained well and the blurring of the image pattern is avoided. be able to.
更に、上記実施形態の電子放出装置は、集束電極及び同集束電極に対する電源(集束電極電位付与回路)を備えていたが、これらを省略してもよい。また、電子放出装置が備える蛍光体は、赤色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体に限定されず、例えば、白色蛍光体であってもよい。加えて、上記実施形態の電子放出装置は、集束電極、コレクタ電極、透明版、蛍光体等を備えたディスプレイとして開示されているが、これらを備えなくともよい。即ち、本発明による電子放出装置は、エミッタ部、上部電極及び下部電極を備えて電子を放出する電子放出素子の単体そのものであってもよい。係る電子放出装置(電子放出素子)は、電子照射装置、光源、LEDの代替品、電子部品製造装置及び電子回路部品等の広範囲に及ぶ装置に適用することができる。 Furthermore, although the electron-emitting device of the said embodiment was provided with the focusing electrode and the power supply (focusing electrode potential provision circuit) with respect to the focusing electrode, you may abbreviate | omit these. In addition, the phosphor included in the electron emission device is not limited to a red phosphor, a green phosphor, and a blue phosphor, and may be, for example, a white phosphor. In addition, although the electron emission device of the above embodiment is disclosed as a display including a focusing electrode, a collector electrode, a transparent plate, a phosphor, and the like, it is not necessary to include these. That is, the electron-emitting device according to the present invention may be a single electron-emitting device that includes an emitter, an upper electrode, and a lower electrode and emits electrons. Such an electron emission device (electron emission element) can be applied to a wide range of devices such as an electron irradiation device, a light source, an LED substitute, an electronic component manufacturing device, and an electronic circuit component.
これまで述べたように、本発明による電子放出装置の各実施形態は、10nm以上且つ100nm未満という平均径の貫通孔を有する上部電極を備えているので、電子放出を高効率で行うことができ、且つ、電子の直進性に優れている。従って、この電子放出装置は、直視型の薄型テレビだけでなく、前面投射型もしくは背面投射型のプロジェクタに内臓する小型ディスプレイにも好適に用いられる。例えばRGBの3原色に対応した3面の小型ディスプレイを用意すれば、圧膜印刷で形成可能な0.2mmピッチ画素で高詳細テレビを構成可能である。この際、本発明による電子放出装置は、CRTプロジェクタと比較してディスプレイの薄型化が可能であり、LCD及びDMDプロジェクタと比較して高出力光源が別途必要とならない等という特長を備える。従って、本発明による電子放出装置は、省スペース化を図ることが可能というだけでなく、高出力光源の取替えが不要であるので超寿命でメンテナンスフリーであるという利点を提供することができる。 As described above, each embodiment of the electron-emitting device according to the present invention includes an upper electrode having a through-hole having an average diameter of 10 nm or more and less than 100 nm, so that electron emission can be performed with high efficiency. In addition, the straightness of electrons is excellent. Therefore, this electron emission device can be suitably used not only for a direct-view type thin television but also for a small display built in a front projection or rear projection projector. For example, if a three-sided small display corresponding to the three primary colors of RGB is prepared, a high-detail television can be configured with 0.2 mm pitch pixels that can be formed by pressure film printing. At this time, the electron emission device according to the present invention has a feature that a display can be made thinner than a CRT projector, and a high-output light source is not required separately as compared with an LCD and a DMD projector. Therefore, the electron-emitting device according to the present invention can provide not only space saving but also an advantage that it is super-long-life and maintenance-free because it is not necessary to replace the high-power light source.
10,20…電子放出装置、11…基板、12…下部電極、13…エミッタ部、14…上部電極、14a〜14f…貫通孔、15…絶縁層、16…集束電極、17…透明板、18…コレクタ電極、19…蛍光体。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,20 ... Electron emission apparatus, 11 ... Board | substrate, 12 ... Lower electrode, 13 ... Emitter part, 14 ... Upper electrode, 14a-14f ... Through-hole, 15 ... Insulating layer, 16 ... Focusing electrode, 17 ... Transparent plate, 18 ... collector electrode, 19 ... phosphor.
Claims (8)
前記上部電極は、
前記エミッタ部を露出する貫通孔を複数備えるとともに、同貫通孔の周部であって同エミッタ部と対向する面が同エミッタ部から所定の距離だけ離間しているように形成され、
前記貫通孔の平均径は、前記エミッタ部の誘電体の粒径よりも小さいことを特徴とする電子放出装置。 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 so as to face the lower electrode with the emitter portion interposed therebetween. In the electron emission device that emits electrons from the emitter through the upper electrode by applying a driving voltage between the lower electrode and the upper electrode,
The upper electrode is
A plurality of through- holes that expose the emitter part are formed, and a peripheral surface of the through-hole and facing the emitter part is formed so as to be separated from the emitter part by a predetermined distance,
The electron emission device according to claim 1, wherein an average diameter of the through holes is smaller than a particle diameter of a dielectric of the emitter section.
前記上部電極は金属を含み、前記貫通孔は同金属の金属結晶粒により形成された気孔であることを特徴とする電子放出装置。 The electron emission device according to claim 1, wherein
The electron emission apparatus according to claim 1, wherein the upper electrode includes a metal, and the through hole is a pore formed of metal crystal grains of the metal.
前記上部電極は、二種類以上の金属を含んでなる電子放出装置。 The electron-emitting device according to claim 1 or 2 ,
The upper electrode is an electron emission device comprising two or more kinds of metals.
前記上部電極は、銀,金,イリジウム,ロジウム,ルテニウム,白金,パラジウム,アルミニウム,銅,ニッケル,クロム,モリブデン,タングステン及びチタンのうちの二種類以上の金属を含んでなる電子放出装置。 The electron emission device according to claim 3 , wherein
The upper electrode is an electron emission device comprising two or more kinds of metals of silver, gold, iridium, rhodium, ruthenium, platinum, palladium, aluminum, copper, nickel, chromium, molybdenum, tungsten and titanium.
前記上部電極は、白金を母材としてなる電子放出装置。 5. The electron emission device according to claim 4 , wherein
The upper electrode is an electron emission device using platinum as a base material.
前記上部電極は、金属粒子同士が結合することにより形成される3次元網目構造を有することを特徴とする電子放出装置。 The electron emission device according to any one of claims 1 to 5 ,
The electron emission device according to claim 1, wherein the upper electrode has a three-dimensional network structure formed by bonding metal particles.
前記上部電極は、厚み方向において二個以上の金属粒子同士が化学的に結合することにより形成される多孔質体であることを特徴とする電子放出装置。 The electron emission device according to any one of claims 1 to 5 ,
The electron emission device according to claim 1, wherein the upper electrode is a porous body formed by chemically bonding two or more metal particles in the thickness direction.
前記上部電極の平均開孔率が、5%以上且つ60%以下である電子放出装置。 The electron emission device according to any one of claims 1 to 7 ,
An electron-emitting device in which the average aperture ratio of the upper electrode is 5% or more and 60% or less.
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