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JP2005116232A - 電子放出素子及びその製造方法 - Google Patents

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幸久 武内
Tsutomu Nanataki
七瀧　　努
Iwao Owada
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Abstract

【課題】誘電体にて構成されたエミッタとなる物質を有する電子放出素子において、低い駆動電圧で電子放出を行うことができるようにする。
【解決手段】電子放出素子１０Ａ１は、板状のエミッタ部１４と、該エミッタ部１４の表面に形成されたカソード電極１６と、エミッタ部１４の裏面に形成されたアノード電極とを有する。そして、カソード電極１６の外周縁部４２とエミッタ部１４の表面との間には、隙間５０が形成されている。この隙間５０は、エミッタ部１４の表面と外周縁部４２の下面５１とが接触してトリプルジャンクションＡとして構成される基端５４から、外周縁部４２の先端５６に向かって拡開するようにして形成されている。
【選択図】図１３

Description

本発明は、エミッタとなる物質に形成された第１の電極と第２の電極とを有する電子放出素子及びその製造方法に関する。
近時、電子放出素子は、カソード電極及びアノード電極を有し、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）やバックライトのような種々のアプリケーションに適用されている。ＦＥＤに適用する場合、複数の電子放出素子を２次元的に配列し、これら電子放出素子に対して、複数の蛍光体を、所定の間隔をもってそれぞれ配置するようにしている。
このような電子放出素子の従来例としては、例えば、特許文献１〜５があるが、いずれもエミッタ部に誘電体を用いていないため、対向電極間にフォーミング加工若しくは微細加工が必要となったり、電子放出のために高電圧を印加しなければならず、また、パネル製作工程が複雑で製造コストが高くなるという問題がある。
そこで、エミッタ部を誘電体で構成することが考えられているが、誘電体からの電子放出として以下の非特許文献１〜３にて諸説が述べられている。
特開平１−３１１５３３号公報 特開平７−１４７１３１号公報 特開２０００−２８５８０１号公報 特公昭４６−２０９４４号公報 特公昭４４−２６１２５号公報 安岡、石井著「強誘電体陰極を用いたパルス電子源」応用物理、第６８巻、第５号、ｐ５４６〜５５０（１９９９） V.F.Puchkarev, G.A.Mesyats, On the mechanism of emission from the ferroelectric ceramic cathode, J.Appl.Phys., vol. 78, No. 9, 1 November, 1995, p. 5633-5637 H.Riege, Electron emission ferroelectrics - a review, Nucl. Instr. and Meth. A340, p. 80-89（1994）
上述した従来の電子放出素子においては、誘電体の表面、誘電体と上部電極との界面、誘電体内部の欠陥準位に拘束された電子を誘電体の分極反転によって放出するようにしている。つまり、誘電体にて分極反転さえ起きれば、印加電圧パルスの電圧レベルに依存せず、放出電子量はほぼ一定となる。
しかしながら、電子放出が安定せず、電子放出回数はたかだか数万回程度までであり、実用性に乏しいという問題がある。このように、従来においては、誘電体にて構成されたエミッタ部を有する電子放出素子の効果を見出すまでには至っていない。
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、誘電体にて構成されたエミッタとなる物質の表面に第１の電極と第２の電極とが形成された電子放出素子及びその製造方法に関して、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加して、前記エミッタとなる物質から電子放出を行う場合に、より低い駆動電圧で電子放出を行うことができる電子放出素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る電子放出素子は、誘電体で構成されたエミッタとなる物質と、前記エミッタとなる物質の第１の面に接して形成された第１の電極と、前記エミッタとなる物質の第２の面に接して形成された第２の電極とを有し、少なくとも前記第１の電極の外周縁部と、前記エミッタとなる物質の前記第１の面との間には隙間が設けられ、前記エミッタとなる物質の前記第１の面と、該第１の面に対向する前記外周縁部の下面との接触によって基端が形成され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記エミッタとなる物質の分極反転を発生させるための駆動電圧が印加されることによって、前記外周縁部の先端と前記基端とに電界集中が発生して、電子が放出されることを特徴とする（請求項１）。
この電子放出素子では、第１の面と第１の電極と該電子放出素子の周囲の媒質（例えば、真空）との接触箇所においてトリプルジャンクションが形成され、第２の面と第２の電極と前記媒質との接触箇所に他のトリプルジャンクションが形成される。そのため、第１の電極と第２の電極との間に駆動電圧が印加されると、上記したトリプルジャンクションにおいて電界集中が発生する。
ここで、トリプルジャンクションとは、第１又は第２の電極とエミッタとなる物質と真空との接触により形成される電界集中部として定義される。なお、前記トリプルジャンクションには、第１又は第２の電極とエミッタとなる物質と真空が１つのポイントとして存在する３重点も含まれる。
また、駆動電圧は、例えば、パルス電圧あるいは交流電圧のように、時間によって電圧の極性が反転する電圧として定義される。
前記駆動電圧の印加によって、前記エミッタとなる物質の内部では、前記第１の電極と第２の電極との間の電界分布に基づいて分極が発生する。特に、前記エミッタとなる物質のうち、電界集中が発生している前記トリプルジャンクション近傍の前記エミッタとなる物質の内部では、大きな分極が発生する。
このような分極が発生する場合において、駆動電圧の極性を反転させると、前記トリプルジャンクション近傍の前記エミッタとなる物質の内部において、大きな分極反転が発生する。これにより、少なくとも第１の電極から電子が引き出され、その電子の一部は、前記エミッタとなる物質の表面に衝突する。前記衝突した電子は前記表面において反射するか、あるいは前記表面から２次電子を放出させる。あるいはまた、引き出された電子の一部は、エミッタとなる物質に衝突することなく電子放出素子の外部に放出される。このようにして、電子放出素子から電子が放出される。
この場合、エミッタとなる物質の内部において大きな分極が発生している程、駆動電圧の極性を反転した際に大きな分極反転が得られる。これによって、第１又は第２の電極から引き出される電子数も多くなり、エミッタとなる物質からの放出電子数も増加する。従って、トリプルジャンクションを設けるだけで、電子放出素子の電子放出効率を向上させることができる。
本発明に係る電子放出素子では、上記したトリプルジャンクションを、（１）第１の電極の外周縁部と前記エミッタとなる物質の第１の面と真空との接触箇所、（２）第２の電極の外周縁部と前記エミッタとなる物質の第２の面と真空との接触箇所に、それぞれ形成している。
そのため、前記基端の近傍で大きな分極反転が発生し、且つ、前記先端の近傍まで分極反転のしみ出しが起こることにより、第１の電極の表面のうち、前記トリプルジャンクションの近傍から前記先端の近傍までの部分から電子を引き出すことができ、第１の面のうち、前記基端の近傍から前記先端の近傍に対向するに至る範囲において、電子を放出することができる。
このように、この電子放出素子では、隙間を形成することにより、エミッタとなる物質の第１の面の電子放出面積を増大することができる。従って、電子放出素子の電子放出効率が向上する。
しかも、外周縁部を剥離することにより電子放出面積が向上するので、該外周縁部の距離を増加するだけで電子放出効率が向上する。従って、例えば、リング状やくし歯状のように、外観が複雑な電極が好適である。なお、前記外周縁部以外の前記第１の電極の大部分はエミッタとなる物質と密着させる役割を果たす。
また、前記外周縁部の前記先端を先鋭状とすれば（請求項２）、該先端の電界集中はより一層強化され、さらに大きな分極及び分極反転を得ることができる。
さらに、前記エミッタとなる物質の前記第１の面と、前記外周縁部の前記下面との接触によって形成される角度は、９０°以下であることが好ましい（請求項３）。
また、本発明に係る電子放出素子は、誘電体で構成されたエミッタとなる物質と、前記エミッタとなる物質の第１の面に接して形成された第１の電極と、前記エミッタとなる物質の第２の面に接して形成された第２の電極とを有し、前記第１の面に前記第１の電極を投影し、前記第２の面に前記第２の電極を投影し、前記第１の電極の投影像と前記第２の電極の投影像とを比較した場合、前記第２の電極の投影像が前記第１の電極の投影像からはみ出していることを特徴とする（請求項４）。
この電子放出素子では、第１の電極の投影像からはみ出した第２の電極の投影像の一部に対応するエミッタとなる物質の箇所において大きな分極及び分極反転が得られるので、第１の電極からの電子の引き出しが容易になり、電子放出効率を向上させることができる。
この場合、前記第２の電極の投影像の外周縁部のうち、前記第１の電極の投影像の外周縁部からはみ出している部分は、該第１の電極の投影像の外周縁部の先端から最大で１〜５００μｍはみ出していることが好ましい（請求項５）。１μｍ未満であると大きな分極が得られる箇所が少なくなるので、電子放出効率が低下する。一方、５００μｍを超えてはみ出していると、エミッタとなる物質の露出箇所が必要以上に増加するので、トリプルジャンクションにおいて電界集中が発生していても、大きな分極が得られない箇所も増加するので、電子放出素子の電子放出効率が却って低下する。
上述した全ての電子放出素子において、少なくとも第１の電極はサーメットから構成されていることが好ましい（請求項６）。この場合、前記サーメットは、例えば、金、白金又は銀と、圧電／電歪材料とから構成されることが好ましい（請求項７）。そして、前記圧電／電歪材料は、体積比で１０〜４０％であることが好ましい（請求項８）。１０％未満では第１の電極とエミッタとなる物質との密着性が向上せず、前記第１の電極が前記エミッタとなる物質から剥離するおそれがある。一方、４０％を超えると、金、白金又は銀が第１の電極から分離するおそれがある。
また、第１の電極と第２の電極との間に駆動電圧を印加した際に発生する前記エミッタとなる物質の分極反転による疲労を抑制するために、少なくとも前記第１の電極は金属酸化物から構成されていることが好ましい（請求項９）。このような材料としては、例えば、ＲｕＯ2、ＩｒＯ2、ＳｒＲｕＯ3又はＬａ1-xＳｒxＣｏＯ3がある（請求項１０）。
また、エミッタとなる物質は高融点の誘電体で構成することが好ましい（請求項１１）。この場合、前記誘電体はＰｂを含まない材料であることが好ましく（請求項１２）、このような材料には、例えば、ＢａＴｉＯ3又はＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3がある（請求項１３）。
また、エミッタとなる物質は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加した際に発生する前記エミッタとなる物質の分極反転による疲労を抑制する材料で構成されていることが好ましい（請求項１４）。この場合、前記分極反転による疲労を抑制する材料としては、例えば、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウムがある（請求項１５）。
また、上述した電子放出素子は基板上に形成されていてもよい。この場合、前記第２の電極が基板の上面に複数形成され、前記複数の第２の電極を覆うように前記エミッタとなる物質が前記基板の上面に形成され、前記エミッタとなる物質の上面に、前記第２の電極に対向して前記第１の電極が形成されている場合に、前記エミッタとなる物質の間には、前記基板の上面を露出させるスリットが形成されている（請求項１６）。
また、上述した電子放出素子を基板上に形成する他の形態では、誘電体が基板の上面に複数形成され、前記第２の電極が前記複数の誘電体の上面にそれぞれ形成され、前記第２の電極の上面と前記誘電体の上面とに前記エミッタとなる物質が形成され、前記各エミッタとなる物質の上面に、前記第２の電極に対向して前記第１の電極が形成されている場合に、前記基板の上面に配線パターンが形成され、前記第２の電極の一部と前記配線パターンとが接続されていることを特徴とする（請求項１７）。
また、上述した電子放出素子に対して、前記エミッタとなる物質の上方のうち、少なくとも第１の電極に対向した位置に第３の電極が配置され、該第３の電極の表面には蛍光体が形成されているようにしてもよい（請求項１８）。この場合、エミッタとなる物質から放出された電子が蛍光体に衝突して該蛍光体を励起することにより、該蛍光体から光を発光させることができる。このように、本発明に係る電子放出素子は、例えば、ディスプレイの電子放出源として利用することが可能である。
本発明に係る電子放出素子の製造方法は、誘電体で構成されたエミッタとなる物質の上面に接して上面電極を形成し、前記エミッタとなる物質の下面に接して下面電極を形成し、前記上面電極と前記下面電極との間に高電圧を印加して、少なくとも前記上面電極の外周縁部と前記エミッタとなる物質の上面との間に隙間を設けることを特徴とする（請求項１９）。
ここで高電圧とは、交流あるいはパルスのような極性が反転する高電圧であればよい。このような高電圧を印加すると、上面電極の外周縁部とエミッタとなる物質の上面との間で、非常に大きな電子放出が起こる。大きな電子放出が発生する箇所においては、プラズマが発生する場合もある。このような電子放出により、上面電極の外周縁部は溶融して捲れ上がり、捲れ上がった外周縁部はエミッタとなる物質から剥離するので、前記外周縁部と前記エミッタとなる物質との間には隙間が形成される。なお、前記高電圧には、電子放出素子から電子放出を行うために上面電極と下面電極との間に印加される駆動電圧も含まれる。
このような隙間の発生により、上面電極で覆われていないエミッタとなる物質の一部の他に、前記隙間を形成するエミッタとなる物質の一部も電子放出部として利用することができる。また、駆動電圧を第１の電極と第２の電極との間に印加すると、外周縁部の先端と基端とに電界集中が発生し、エミッタとなる物質の内部において大きな分極及び分極反転を発生させることができる。従って、第１の電極からの電子の引き出しが容易になり、電子放出効率の高い電子放出素子を提供することができる。
前記隙間を設ける際に、前記外周縁部の先端を先鋭状に形成すれば（請求項２０）、駆動電圧を印加した際の該先端での電界集中がより一層強化され、エミッタ部となる物質における分極反転の際に前記先端からの電子の引き出しが容易になるので好ましい。
また、前記エミッタとなる物質の上方のうち、少なくとも前記上面電極に対向した位置に他の電極を配置し、前記他の電極の表面に蛍光体を形成し、前記上面電極と前記下面電極との間に前記高電圧を印加し、且つ、前記他の電極に他の電圧を印加することにより、少なくとも前記エミッタとなる物質の上面から放出された電子を前記蛍光体に衝突させて、該蛍光体を励起して発光を行わせる場合に、前記発光の際の前記蛍光体の輝度を測定することにより、前記隙間の完成度を判定するようにしてもよい（請求項２１）。
ここで、他の電圧とは、放出された電子を加速させて蛍光体に衝突させるための電圧であり、例えば、電子の加速に用いられるコレクタ電圧も含まれる。
この場合、蛍光体の輝度は、電子放出素子の電子放出部であるエミッタとなる物質の上面からの放出電子数あるいは該電子放出素子の電子放出効率に対応する。すなわち、蛍光体の輝度を測定することにより、製造された電子放出素子の電子放出効率を調べることが可能となる。従って、隙間の周辺部を直接観察して該隙間の完成度を判定するような煩雑な作業は必要なく、輝度を測定しながら電圧を調整するだけで隙間を容易に形成することができる。これにより、所望の電子放出効率を有する電子放出素子を得ることができる。
さらに、上記した電子放出素子の製造方法は、（１）電源から抵抗を介して前記高電圧を印加する場合に、前記抵抗の抵抗値を低減することにより、前記隙間を形成する（請求項２２）、（２）前記高電圧の電圧値を大きくすることにより、前記隙間を形成する（請求項２３）、（３）前記高電圧の周波数を高くすることにより、前記隙間を形成する（請求項２４）のいずれか又は複数の工程を適宜組み合わせることにより、隙間を形成することができる。
また、上記した電子放出素子の製造方法の応用例としては、例えば、ディスプレイの電子放出源として用いる場合である。すなわち、出荷前の最終検査において、作業者が蛍光体の輝度を見ながら第１の電極と第２の電極との間に印加される高電圧を調整して、前記輝度を所定の輝度に調整することにより隙間を形成すれば、所望の輝度を有するディスプレイを出荷することができる。
あるいは、ディスプレイを長期間にわたり使用しているうちに輝度が低下した場合には、作業者が、上記した電子放出素子の製造方法を、前記ディスプレイの輝度を向上させるというメンテナンス作業として利用することも可能である。
あるいはまた、ディスプレイの内部に上記した電子放出素子の製造方法の機能を有する装置を予め組み込んでおき、輝度が低下したときに消費者が前記装置を使用することにより該ディスプレイの輝度を所望の輝度に調整できるようにすることにも利用可能である。
また、本発明に係る電子放出素子の製造方法は、基板の上面に複数の下面電極を形成し、前記複数の下面電極を覆うように誘電体を前記基板の上面に形成し、前記誘電体の上面に前記各下面電極と対向して上面電極を形成し、前記上面電極及び前記下面電極に挟まれていない前記誘電体の一部を除去することにより、前記上面電極と前記下面電極とに挟まれた前記誘電体の残部をエミッタとなる物質として構成することを特徴とする（請求項２５）。
また、本発明に係る電子放出素子の製造方法は、基板の上面に複数の誘電体を形成し、誘電体で構成されたエミッタとなる物質と、前記エミッタとなる物質の上面に形成された上面電極と、前記エミッタとなる物質の下面に形成された下面電極とを有する複数の電子放出素子を、前記下面電極の下面と前記複数の誘電体の上面とが接するように、前記各電子放出素子を前記各誘電体にそれぞれ配置し、前記基板の上面に配線パターンを形成してから前記下面電極と該配線パターンとを接続することを特徴とする（請求項２６）。
本発明に係る電子放出素子では、第１の電極の外周縁部とエミッタとなる物質の上面との間に隙間が形成されているので、前記第１の電極と第２の電極との間に駆動電圧を印加した際に、前記外周縁部の基端と先端とにおいて大きな電界集中が発生する。これにより、前記基端近傍のエミッタとなる物質の内部において、大きな分極及び分極反転が発生し、且つ前記先端に対向するエミッタとなる物質の内部にまで分極反転のしみ出しが起こり、低い駆動電圧であってもエミッタとなる物質から電子放出を行うことが可能となる。
また、本発明に係る電子放出素子の製造方法では、第１の電極の外周縁部とエミッタとなる物質の上面との間に隙間を形成して電子放出素子を製造するので、前記電子放出素子の前記第１の電極と第２の電極との間に駆動電圧を印加した際に、前記外周縁部の基端と先端とにおいて大きな電界集中が発生する。これにより、前記基端近傍のエミッタとなる物質の内部において、大きな分極及び分極反転が発生し、且つ前記先端に対向するエミッタとなる物質の内部にまで分極反転のしみ出しが起こり、低い駆動電圧であってもエミッタとなる物質から電子放出を行うことが可能となる。
以下、本発明に係る電子放出素子及びその製造方法の実施の形態例を、図１〜図３１を参照しながら説明する。
先ず、本実施の形態に係る電子放出素子は、ディスプレイとしての用途のほか、電子線照射装置、光源、ＬＥＤの代替、電子部品製造装置、電子回路部品に適用することができる。
電子線照射装置における電子線は、現在普及している紫外線照射装置における紫外線に比べ、高エネルギーで吸収性能に優れる。適用例としては、半導体装置では、ウェハーを重ねる際における絶縁膜を固化する用途、印刷の乾燥では、印刷インキをむらなく硬化する用途や、医療機器をパッケージに入れたまま殺菌する用途等がある。
光源としての用途は、高輝度、高効率仕様向けであって、例えば超高圧水銀ランプ等が使用されるプロジェクタの光源用途等がある。本実施の形態に係る電子放出素子を光源に適用した場合、小型化、長寿命、高速点灯、水銀フリーによる環境負荷低減という特徴を有する。
ＬＥＤの代替用途としては、屋内照明、自動車用ランプ、信号機等の面光源用途や、チップ光源、信号機、携帯電話向けの小型液晶ディスプレイのバックライト等がある。
電子部品製造装置の用途としては、電子ビーム蒸着装置等の成膜装置の電子ビーム源、プラズマＣＶＤ装置におけるプラズマ生成用（ガス等の活性化用）電子源、ガス分解用途の電子源等がある。また、テラＨｚ駆動の高速スイッチング素子、大電流出力素子といった真空マイクロデバイス用途もある。他に、プリンタ用部品、つまり、感光ドラムを感光させる発光デバイスや、誘電体を帯電させるための電子源としても好ましく用いられる。
電子回路部品としては、大電流出力化、高増幅率化が可能であることから、スイッチ、リレー、ダイオード等のデジタル素子、オペアンプ等のアナログ素子への用途がある。
そして、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａは、図１に示すように、板状のエミッタ部（エミッタとなる物質）１４と、該エミッタ部１４の表面に形成された第１の電極（カソード電極）１６と、エミッタ部１４の裏面に形成された第２の電極（アノード電極）２０と、カソード電極１６とアノード電極２０との間に、抵抗Ｒ１を介して駆動電圧Ｖａを印加するパルス発生源２２とを有する。
図１の例では、アノード電極２０を抵抗Ｒ２を介してＧＮＤ（グランド）に接続することにより、該アノード電極２０の電位をゼロにした場合を示しているが、もちろん、ゼロ電位以外の電位にしてもかまわない。なお、カソード電極１６とアノード電極２０との間への駆動電圧Ｖａの印加は、例えば、図２に示すように、カソード電極１６に延びるリード電極１７とアノード電極２０に延びるリード電極２１を通じて行われる。
そして、この電子放出素子１０Ａをディスプレイの画素として利用する場合は、図１に示すように、カソード電極１６の上方に、例えば透明電極にて構成されたコレクタ電極２４が配置され、該コレクタ電極２４には蛍光体２８が塗布される。なお、コレクタ電極２４にはバイアス電圧源１０２（バイアス電圧Ｖｃ）が抵抗Ｒ３を介して接続される。
また、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａは、当然のことながら、真空空間内に配置される。この電子放出素子１０Ａには、電界集中部Ａが存在するが、この電界集中部Ａは、カソード電極１６／エミッタ部１４／真空の接触により形成されるトリプルジャンクションとして定義することができる。なお、前記トリプルジャンクションには、カソード電極１６／エミッタ部１４／真空が１つのポイントとして存在する３重点も含まれる。
そして、雰囲気中の真空度は、１０2〜１０-6Ｐａが好ましく、より好ましくは１０-3〜１０-5Ｐａである。
このような範囲を選んだ理由は、１０2Ｐａを超える低真空では、（１）空間内に気体分子が多いため、プラズマを生成し易く、プラズマが多量に発生され過ぎると、その正イオンが多量にカソード電極１６に衝突して損傷を進めるおそれや、（２）放出電子がコレクタ電極２４及び蛍光体２８に到達する前に気体分子に衝突してしまい、コレクタ電位（Ｖｃ）で十分に加速した電子による蛍光体２８の励起が十分に行われなくなるおそれがあるからである。
一方、１０-6Ｐａ未満の高真空では、電界集中部Ａから電子を放出し易いものの、高真空空間を保持するためにディスプレイパネル等の構造体の支持部が大型化したり、外部から高真空空間を密封する真空シール部が大型化し、ディスプレイの小型化にとり不利になるという問題があるからである。
ここで、エミッタ部１４は誘電体にて構成される。誘電体は、好適には、比誘電率が比較的高い、例えば１０００以上の誘電体を採用することができる。このような誘電体としては、チタン酸バリウムの他に、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、又はこれらの任意の組み合わせを含有するセラミックスや、主成分がこれらの化合物を５０重量％以上含有するものや、前記セラミックスに対してさらにランタン、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、若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切に添加したもの等を挙げることができる。
例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）の２成分系ｎＰＭＮ−ｍＰＴ（ｎ、ｍをモル数比とする）においては、ＰＭＮのモル数比を大きくすると、キュリー点が下げられて、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、ｍ＝１．０−ｎでは比誘電率が３０００以上となり好ましい。例えば、ｎ＝０．９１、ｍ＝０．０９では室温での比誘電率１５０００が得られ、ｎ＝０．９５、ｍ＝０．０５では室温での比誘電率２００００が得られる。
次に、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、チタン酸鉛（ＰＴ）、ジルコン酸鉛（ＰＺ）の３成分系では、ＰＭＮのモル数比を大きくする他に、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が比誘電率を大きくするのに好ましい。例えば、ＰＭＮ：ＰＴ：ＰＺ＝０．３７５：０．３７５：０．２５にて比誘電率５５００、ＰＭＮ：ＰＴ：ＰＺ＝０．５：０．３７５：０．１２５にて比誘電率４５００となり、特に好ましい。さらに、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して、誘電率を向上させるのが好ましい。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。
また、エミッタ部１４は、圧電／電歪層や反強誘電体層等を用いることができるが、エミッタ部１４として圧電／電歪層を用いる場合、該圧電／電歪層としては、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が挙げられる。
主成分がこれらの化合物を５０重量％以上含有するものであってもよいことはいうまでもない。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１４を構成する圧電／電歪層の構成材料として最も使用頻度が高い。
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、若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％添加した材料であることが好ましい。
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。
圧電／電歪層は、緻密であっても、多孔質であってもよく、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。
エミッタ部１４として反強誘電体層を用いる場合、該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、さら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ジルコン酸鉛やニオブ酸鉛を添加したものが望ましい。
また、この反強誘電体層は、多孔質であってもよく、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。
さらに、エミッタ部１４にタンタル酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9）を用いた場合、分極反転疲労が小さく好ましい。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。
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、焼成温度を下げることができる。
また、圧電／電歪／反強誘電体セラミックスで構成する場合、その形状はシート状の成形体、シート状の積層体、あるいは、これらを他の支持用基板に積層又は接着したものであってもよい。
また、エミッタ部１４に非鉛系の材料を使用する等により、エミッタ部１４を融点若しくは蒸散温度の高い材料とすることで、電子若しくはイオンの衝突に対し損傷しにくくなる。
ここで、カソード電極１６とアノード電極２０との間のエミッタ部１４の厚さｈ（図１参照）の大きさについて説明すると、カソード電極１６とアノード電極２０との間の電圧（パルス発生源２２から出力される駆動電圧Ｖａがカソード電極１６とアノード電極２０との間に印加されることによって、該カソード電極１６とアノード電極２０との間に現れる電圧）をＶａｋとしたとき、Ｅ＝Ｖａｋ／ｈで表される電界Ｅで分極反転が行われるように、前記厚さｈを設定することが好ましい。つまり、前記厚さｈが小さいほど、低電圧で分極反転が可能となり、低電圧駆動（例えば１００Ｖ未満）で電子放出が可能となる。
カソード電極１６は、以下に示す材料にて構成される。すなわち、スパッタ率が小さく、真空中での蒸発温度が大きい導体が好ましい。例えば、Ａｒ+で６００Ｖにおけるスパッタ率が２．０以下で、蒸気圧１．３×１０-3Ｐａとなる温度が１８００Ｋ以上のものが好ましく、白金、モリブデン、タングステン等がこれに該当する。
また、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、合金、絶縁性セラミックスと金属単体との混合物、絶縁性セラミックスと合金との混合物等によって構成され、好適には、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や、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や、白金とセラミック材料とのサーメット材料によって構成される。さらに好適には、白金のみ又は白金系の合金を主成分とする材料によって構成される。
また、電極として、カーボン、グラファイト系の材料、例えば、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブも好適に使用される。なお、電極材料中に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。
さらに、焼成後に薄い膜が得られる有機金属ペースト、例えば白金レジネートペースト等の材料を用いることが好ましい。また、分極反転疲労を抑制する酸化物電極、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）、若しくはこれらを例えば白金レジネートペーストに混ぜたものが好ましい。
さらにまた、カソード電極１６は、圧電／電歪材料を含有するサーメット電極を使用することにより、エミッタ部１４を構成する圧電／電歪材料との密着性が強化し、耐久性が向上する。この場合、白金の厚膜ペーストに圧電／電歪材料を混入してサーメット電極を構成することが好ましい。前記圧電／電歪材料を混入する割合は、体積比で１０〜４０％が好ましい。１０％未満であるとカソード電極１６とエミッタ部１４との密着性が向上しない。一方、４０％を超えると、白金がカソード電極１６から分離するおそれがある。
カソード電極１６は、上記材料を用いて、スクリーン印刷、スプレー、コーティング、ディッピング、塗布、電気泳動法等の各種の厚膜形成法や、スパッタリング法、イオンビーム法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）、めっき等の各種の薄膜形成法による通常の膜形成法に従って形成することができ、好適には、前者の厚膜形成法によって形成するとよい。
カソード電極１６の平面形状は、図２に示すように、楕円形状としてもよいし、図３に示す第１の変形例に係る電子放出素子１０Ａａのように方形状にしてもよい。または、図４に示す第２の変形例に係る電子放出素子１０Ａｂのように、リング状にしてもよい。あるいは、図５に示す第３の変形例に係る電子放出素子１０Ａｃのように、くし歯状にしてもよい。
カソード電極１６の平面形状を方形状にすれば、方形の４つの頂点において特に大きな電界集中を得ることができるので、電子放出効率を向上させることができる。
また、カソード電極１６の平面形状をリング状やくし歯状にすることによって、電界集中部Ａでもあるカソード電極１６／エミッタ部１４／真空のトリプルジャンクションが増える。また、真空に露出するエミッタ部１４の部分が増加するので、エミッタ部１４のうち、電子放出部に対応する箇所の静電容量が増加し、それ以外の箇所の静電容量は減少する。これにより、電子放出効率がさらに向上し、より低い消費電力で駆動する電子放出素子１０Ａを実現することができる。
カソード電極１６の厚みｔｃ（図１参照）は、２０μｍ以下であるとよく、好適には５μｍ以下であるとよい。従って、カソード電極１６の厚みｔｃを１００ｎｍ以下にしてもよい。特に、図６に示す第４の変形例に係る電子放出素子１０Ａｄのように、カソード電極１６の厚みｔｃを極薄（１０ｎｍ以下）とした場合には、該カソード電極１６とエミッタ部１４との界面から電子が放出されることになり、電子放出効率をさらに向上させることができる。
一方、アノード電極２０は、カソード電極１６と同様の材料及び方法によって形成されるが、好適には上記厚膜形成法によって形成する。アノード電極２０の厚さも、２０μｍ以下であるとよく、好適には５μｍ以下であるとよい。
エミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０をそれぞれ形成するたびに熱処理（焼成処理）することで、一体構造にすることができる。なお、カソード電極１６及びアノード電極２０の形成方法によっては、一体化のための熱処理（焼成処理）を必要としない場合もある。
エミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０を一体化させるための焼成処理に係る温度としては、５００〜１４００℃の範囲、好適には、１０００〜１４００℃の範囲とするとよい。さらに、膜状のエミッタ部１４を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１４の組成が不安定にならないように、エミッタ部１４の蒸発源と共に雰囲気制御を行いながら焼成処理を行うことが好ましい。
また、エミッタ部１４を適切な部材によって被覆し、該エミッタ部１４の表面が焼成雰囲気に直接露出しないようにして焼成する方法を採用してもよい。
次に、電子放出素子１０Ａの電子放出原理について、図１、図７〜図１２Ｂを参照しながら説明する。
先ず、パルス発生源２２から出力される駆動電圧Ｖａは、図７に示すように、第１の電圧Ｖａ１が出力される期間（準備期間Ｔ１）と第２の電圧Ｖａ２が出力される期間（電子放出期間Ｔ２）を１ステップとし、該１ステップが繰り返される交流パルスの波形を有する。第１の電圧Ｖａ１は、カソード電極１６の電位がアノード電極２０の電位よりも高い電圧であり、第２の電圧Ｖａ２は、カソード電極１６の電位がアノード電極２０の電位よりも低い電圧である。駆動電圧Ｖａの振幅Ｖｉｎは、第１の電圧Ｖａ１から第２の電圧Ｖａ２を差し引いた値（＝Ｖａ１−Ｖａ２）で定義することができる。
準備期間Ｔ１は、図８に示すように、カソード電極１６とアノード電極２０との間に第１の電圧Ｖａ１を印加してエミッタ部１４を分極する期間である。第１の電圧Ｖａ１としては、図７に示すように、直流電圧でもよいが、１つのパルス電圧若しくはパルス電圧を複数回連続印加するようにしてもよい。ここで、準備期間Ｔ１は、分極処理を十分に行うために、電子放出期間Ｔ２よりも長くとることが好ましい。例えば、この準備期間Ｔ１としては１００μｓｅｃ以上が好ましい。これは、第１の電圧Ｖａ１の印加時の消費電力及びカソード電極１６の損傷を防止する目的で、分極を行うための第１の電圧Ｖａ１の絶対値を、第２の電圧Ｖａ２の絶対値よりも小さく設定しているからである。
また、第１の電圧Ｖａ１及び第２の電圧Ｖａ２は、各々正負の極性に分極処理を確実に行う電圧レベルであることが好ましく、例えばエミッタ部１４の誘電体が抗電圧を有する場合、第１の電圧Ｖａ１及び第２の電圧Ｖａ２の絶対値は、抗電圧以上であることが好ましい。
電子放出期間Ｔ２は、カソード電極１６とアノード電極２０との間に第２の電圧Ｖａ２が印加される期間である。カソード電極１６とアノード電極２０との間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、図９に示すように、少なくともエミッタ部１４の一部が分極反転される。ここで、分極反転される部位は、カソード電極１６の真下部分はもちろんのこと、真上にカソード電極１６を有しておらず、表面が露出した部分についても、カソード電極１６の近傍では、同様に分極反転が行われる。つまり、カソード電極１６の近傍で、エミッタ部１４の表面が露出した部分は、分極のしみ出しが起きているからである。この分極反転によって、カソード電極１６とその近傍の双極子モーメントの正極側とで局所的な電界集中が発生することにより、カソード電極１６から１次電子が引き出され、カソード電極１６から引き出された前記１次電子がエミッタ部１４に衝突して、該エミッタ部１４から２次電子が放出される。
この第１の実施の形態のように、カソード電極１６とエミッタ部１４と真空とによる電界集中部Ａ（トリプルジャンクション）を有する場合には、カソード電極１６のうち、トリプルジャンクションの近傍部分から１次電子が引き出され、このトリプルジャンクションから引き出された１次電子がエミッタ部１４に衝突して、該エミッタ部１４から２次電子が放出される。なお、カソード電極１６の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合には、該カソード電極１６とエミッタ部１４との界面から電子が放出されることになる。
ここで、第２の電圧Ｖａ２が印加されることによる作用をさらに詳細に説明する。
先ず、カソード電極１６とアノード電極２０との間に第２の電圧Ｖａ２が印加されることによって、上述したように、エミッタ部１４から２次電子が放出されることになる。すなわち、分極が反転あるいは変化されたエミッタ部１４のうち、カソード電極１６の近傍に帯電する双極子モーメントが放出電子を引き出すこととなる。
つまり、カソード電極１６のうち、エミッタ部１４との界面近傍において局所的なカソードが形成され、エミッタ部１４のうち、カソード電極１６の近傍の部分に帯電している双極子モーメントの＋極が局所的なアノードとなってカソード電極１６から１次電子が引き出され、その引き出された電子のうち、一部の電子がコレクタ電極２４（図１参照）に導かれて蛍光体２８を励起し、外部に蛍光体発光として具現されることになる。また、前記引き出された電子のうち、一部の電子がエミッタ部１４に衝突して、エミッタ部１４から２次電子が放出され、該２次電子がコレクタ電極２４に導かれて蛍光体２８を励起することになる。
ここで、２次電子の放出分布について説明する。図１１に示すように、２次電子は、ほとんどエネルギーが０に近いものが大多数であり、エミッタ部１４の表面から真空中に放出されると、周囲の電界分布のみに従って運動することになる。つまり、２次電子は、初速がほとんど０（ｍ／ｓｅｃ）の状態から周囲の電界分布に従って加速される。このため、図１に示すように、エミッタ部１４とコレクタ電極２４間に電界Ｅａが発生しているとすると、２次電子は、この電界Ｅａに沿って、その放出軌道が決定される。つまり、直進性の高い電子源を実現させることができる。このような初速の小さい２次電子は、１次電子のクーロン衝突でエネルギーを得て、エミッタ部１４の外へ飛び出した固体内電子である。
ところで、図１１からもわかるように、１次電子のエネルギーＥ0に相当するエネルギーをもった２次電子が放出されている。この２次電子は、カソード電極１６から放出された１次電子がエミッタ部１４の表面近くで散乱したもの（反射電子）である。そして、本明細書内で述べている２次電子は、前記反射電子やオージェ電子も含んで定義するものとする。
カソード電極１６の厚みが極薄（〜１０ｎｍ）である場合、カソード電極１６から放出された１次電子は、カソード電極１６とエミッタ部１４の界面で反射してコレクタ電極２４に向かうことになる。
ここで、図９に示すように、電界集中部Ａでの電界の強さＥAは、局所的なアノードと局所的なカソードとの間の電位差をＶ（ｌａ、ｌｋ）、局所的なアノードと局所的なカソードとの間の距離をｄAとしたとき、ＥA＝Ｖ（ｌａ、ｌｋ）／ｄAの関係がある。この場合、局所的なアノードと局所的なカソードとの間の距離ｄAは非常に小さいことから、電子放出に必要な電界の強さＥAを容易に得ることができる（電界の強さＥAが大きくなっていることを図９上では実線矢印によって示している）。これは、電圧Ｖａｋの低電圧化につながる。
そして、カソード電極１６からの電子放出がそのまま進行すれば、ジュール熱によって蒸散して浮遊するエミッタ部１４の構成原子が前記放出された電子によって正イオンと電子とに電離され、この電離によって発生した電子がさらにエミッタ部１４の構成原子等を電離するため、指数関数的に電子が増え、これが進行して電子と正イオンが中性的に存在すると局所プラズマとなる。なお、２次電子も前記電離を促進させることが考えられる。前記電離によって発生した正イオンが例えばカソード電極１６に衝突することによってカソード電極１６が損傷することも考えられる。
しかし、この第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａでは、図１０に示すように、カソード電極１６から引き出された電子が、局所アノードとして存在するエミッタ部１４の双極子モーメントの＋極に引かれ、カソード電極１６の近傍におけるエミッタ部１４の表面の負極性への帯電が進行することになる。その結果、電子の加速因子（局所的な電位差）が緩和され、２次電子放出に至るポテンシャルが存在しなくなり、エミッタ部１４の表面における負極性の帯電がさらに進行することになる。
そのため、双極子モーメントにおける局所的なアノードの正極性が弱められ、局所的なアノードと局所的なカソード間の電界の強さＥAが小さくなり（電界の強さＥAが小さくなっていることを図１０上では破線矢印によって示している）、電子放出は停止することになる。
すなわち、図１２Ａに示すように、カソード電極１６とアノード電極２０間に印加される駆動電圧Ｖａとして、第１の電圧Ｖａ１を例えば＋５０Ｖ、第２の電圧Ｖａ２を例えば−１００Ｖとしたとき、電子放出が行われたピーク時点Ｐ１におけるカソード電極１６とアノード電極２０との間の電圧変化ΔＶａｋは、２０Ｖ以内（図１２Ｂの例では１０Ｖ程度）であってほとんど変化がない。そのため、正イオンの発生はほとんどなく、正イオンによるカソード電極１６の損傷を防止することができ、電子放出素子１０Ａの長寿命化において有利となる。
この電子放出素子１０Ａでは、電子放出期間Ｔ２に続く、次サイクルの準備期間Ｔ１において、カソード電極１６の電位が再びアノード電極２０の電位よりも高くなる（エミッタ部１４の表面に双極子モーメントの−極が再び現れる）ので、電子放出停止を引き起こしたエミッタ部１４の表面における負極性帯電が消去することになる。従って、交流パルスを印加することによって、毎回の電子放出期間Ｔ２において、十分な電界強度ＥAを確保することができ、安定に電子放出を行うことができる。
ここで、エミッタ部１４の絶縁破壊電圧として、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍを有していることが好ましい。この例では、エミッタ部１４の厚さｈ（図１参照）を例えば２０μｍとしたとき、カソード電極１６とアノード電極２０間に−１００Ｖの駆動電圧を印加しても、エミッタ部１４が絶縁破壊に至ることはない。
ところで、エミッタ部１４から放出された電子が再びエミッタ部１４に衝突したり、エミッタ部１４の表面近傍での電離等によって、該エミッタ部１４が損傷を受け、結晶欠陥が誘発し、構造的にも脆くなるおそれがある。
そこで、エミッタ部１４を、真空中での蒸発温度が大きい誘電体で構成することが好ましく、例えばＰｂを含まないＢａＴｉＯ3やＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3等にて構成するようにしてもよい。これにより、エミッタ部１４の構成原子がジュール熱によって蒸散しにくくなり、電子による電離の促進を妨げることができる。これは、エミッタ部１４の表面を保護する上で有効となる。
また、コレクタ電極２４のパターン形状や電位を適宜変更したり、エミッタ部１４とコレクタ電極２４との間に図示しない制御電極等を配置することによって、エミッタ部１４とコレクタ電極２４間の電界分布を任意に設定することにより、２次電子の放出軌道を制御し易くなり、電子ビーム径の収束、拡大、変形も容易になる。
次に、第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａの第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａ１について説明する。この第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａ１は、図１３に示すように、カソード電極１６の外周縁部４２とエミッタ部１４の表面との間に隙間５０が形成されている。
この場合、隙間５０は、エミッタ部１４の表面と外周縁部４２の下面５１とが接触してトリプルジャンクションＡとして構成される基端５４から、外周縁部４２の先端５６に向かって拡開するように形成されている。
そして、外周縁部４２の先端５６は先鋭状に形成されていることが好ましい。また、隙間５０の最大間隔ｄｇは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。また、前記外周縁部４２の下面５１とエミッタ部１４の表面とのなす角度θは、９０°以下であることが好ましい。
この電子放出素子１０Ａ１においてカソード電極１６とアノード電極２０との間に駆動電圧Ｖａを印加すると、準備期間Ｔ１では、先端５６に電界集中が発生すると共に、トリプルジャンクションＡである基端５４にも電界集中が発生し、図１４Ａに示すように、基端５４の近傍と外周縁部４２の先端５６の近傍において電界の集中が発生している。
この電界により、準備期間Ｔ１では、図１４Ｂに示すような、基端５４の近傍のエミッタ部１４の内部において、大きな分極が発生する。また、先端５６が先鋭状に形成されていれば、先端５６に集中する電界は大きくなる。
これにより、準備期間Ｔ１においては、トリプルジャンクションＡの基端５４近傍におけるエミッタ部１４から、先端５６に対向するエミッタ部１４の近傍まで分極のしみ出しが発生する。従って、トリプルジャンクションＡを形成する基端５４及び電極形状により電界の集中する先端５６の近傍から容易に電子を引き出すことができる。
そして、引き出された電子は、（１）エミッタ部１４の表面で反射して反射電子としてエミッタ部１４の表面から蛍光体２８に向かって放出されるか、（２）エミッタ部１４の表面に衝突して該表面から２次電子を発生させ、該２次電子を蛍光体２８に向かって放出させるか、（３）直接蛍光体２８に向かって放射されるか、のいずれかの動作を行う。
また、（１）〜（３）についても、（Ａ）図１５Ａに示すように、引き出された電子がエミッタ部１４の表面を反射しながら進行していく場合や、（Ｂ）図１５Ｂに示すように、引き出された電子あるいは２次電子がエミッタ部１４の表面を反射しながら、進行する過程で新たに２次電子を発生させて、電子増倍を行う場合もあり得る。
上述した電子放出作用により電子放出素子１０Ａ１から電子が放出される。
このように第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａ１では、カソード電極１６の外周縁部４２とエミッタ部１４との間に隙間５０が形成されているので、隙間５０の下面に対向するエミッタ部１４の一部についても、分極反転を行う電子放出部として利用することができる。これにより、電子放出素子１０Ａ１の電子放出面積が増大する。
さらに、トリプルジャンクションＡとしての基端５４に加え、外周縁部４２の先端５６にも電界集中が発生する。基端５４近傍のエミッタ部１４から、先端５６に対向するエミッタ部１４の近傍まで、分極反転のしみ出しが起きることと、先端５６の電界集中が発生することとにより、基端５４近傍だけでなく、先端５６に対向するエミッタ部１４からも電子を放出することが可能となる。
また、外周縁部４２の外周距離を大きくするだけで電子放出素子１０Ａ１の電子放出面積を増大させることができるので、図２〜図５に示すような電極構造を好適に用いることができる。
次に、上記した電子放出素子１０Ａ１において隙間５０を形成する方法（第１及び第２の製造方法）について説明する。
第１の製造方法は、図１６に示すように、エミッタ部１４に接して形成されたカソード電極１６とアノード電極２０との間に高電圧Ｖｋを印加することにより隙間５０を形成する方法である。
ここで、高電圧Ｖｋとは、図１７に示すように、時間Ｔｋ毎に電圧が正電圧Ｖｋｐと負電圧Ｖｋｎとに変化する周波数ｆを有する交流パルスであり、駆動電圧Ｖａも高電圧Ｖｋに含まれる。
この場合、エミッタ部１４の表面に形成されたカソード電極１６に抵抗Ｒｋを介してパルス発生源５２の一端を接続し、アノード電極２０は接地する。パルス発生源５２の他端は接地する。
このような配置で、先ず、図１６及び図１８のフローチャートに示すように、コレクタ電極２４にバイアス電圧Ｖｃを供給した状態で、パルス発生源５２からカソード電極１６に高電圧Ｖｋを供給する（ステップＳ１）。これにより、カソード電極１６のトリプルジャンクションＡから電子が引き出され、エミッタ部１４から蛍光体２８に向かって電子が放出される。前記放出電子が蛍光体２８に到達すると、該蛍光体２８が励起されて光を発光する。その際の蛍光体２８の輝度を測定する。この状態を初期状態と定義する。
なお、この初期状態は、電子放出素子１０Ａ１を通常使用している状態も含まれる。また、前記電子放出素子１０Ａ１を内蔵するディスプレイにおいて、該ディスプレイの通常時の使用状態も初期状態に含まれる。
この場合、例えば、抵抗Ｒｋを２００ｋΩ、高電圧パルスＶｋを±１００Ｖ（正電圧Ｖｋｐ＝１００Ｖ、負電圧Ｖｋｎ＝−１００Ｖ）、高電圧パルスＶｋの周波数ｆを６０Ｈｚ、コレクタ電圧Ｖｃを３ｋＶとすれば、蛍光体２８の輝度は１０ｃｄ／ｃｍ2である。なお、ここでは、周波数ｆを商用周波数の６０Ｈｚとしたが、他の商用周波数である５０Ｈｚとしてもよい。
次いで、蛍光体２８の輝度が所定の輝度であるかを判定する（ステップＳ２）。前記所定の輝度として４００ｃｄ／ｃｍ2に設定する。ここで、蛍光体２８の輝度が所定の輝度であれば、隙間５０が形成されていると判定してステップＳ４に移り、隙間５０を形成する作業を終了し、初期状態に戻す。一方、所定の輝度になっていない場合には、次のステップＳ３１〜３３に移る。
次いで、下記の３つの工程のいずれかあるいは併用により、カソード電極１６の外周縁部とエミッタ部１４の表面との間で、非常に大きな電子放出が起きる。大きな電子放出が発生する箇所においては、プラズマが発生する場合もある。このような電子放出により、カソード電極１６の外周縁部４２が溶融して捲れ上がり、捲れ上がった外周縁部４２はエミッタ部１４の表面から剥離し、前記外周縁部４２とエミッタ部１４の表面との間には隙間５０が形成される。
第１の工程は、図１９Ａに示すように、抵抗Ｒｋの抵抗値を、初期状態の抵抗Ｒｋ１から、抵抗Ｒｋ１より低い抵抗値を有する抵抗Ｒｋ２に変更した状態で、高電圧Ｖｋをカソード電極１６に印加し、蛍光体２８の輝度を測定しながら隙間５０を形成するという工程である（ステップＳ３１）。
この場合、抵抗Ｒｋが低減されるので、電子放出素子１０Ａ１のカソード電極１６とアノード電極２０との間に印加される電圧のレベルが増加する。これによりカソード電極１６とエミッタ部１４との間の電子放出及びプラズマの生成が増加して、エミッタ部１４からカソード電極１６の外周縁部４２が剥離するので、隙間５０を形成することができる。
ここで、抵抗Ｒｋは可変抵抗であってもよいし、複数の抵抗Ｒｋ１、Ｒｋ２を並列に接続して、スイッチ等を用いて切り替えるという方法であってもよい。抵抗Ｒｋ１、Ｒｋ２の抵抗値については、例えば、Ｒｋ１＝２００ｋΩ、Ｒｋ２＝５０ｋΩとすればよい。
第２の工程は、図１９Ｂに示すように、パルス発生源５２から供給される高電圧Ｖｋについて、初期状態の高電圧Ｖｋ１から高電圧Ｖｋ２に増加して、その際の蛍光体２８の輝度を測定しながら、隙間５０を形成する工程である（ステップＳ３２）。
この場合、電圧Ｖｋが増加するので、電子放出素子１０Ａ１のカソード電極１６とアノード電極２０との間に印加される電圧のレベルが増加する。これによりカソード電極１６とエミッタ部１４との間の電子放出及びプラズマの生成が増加して、エミッタ部１４からカソード電極１６の外周縁部４２が剥離するので、隙間５０を形成することができる。
ここで、高電圧Ｖｋは、例えば、Ｖｋ１＝±１００ＶからＶｋ２＝±２００Ｖに増加すればよい。電圧の変更としては、例えば、変圧器を用いてＶｋ１からＶｋ２に昇圧すればよい。
第３の工程は、図１９Ｃに示すように、高電圧Ｖｋの周波数ｆを、初期状態の周波数ｆ１から該周波数ｆ１より高い周波数ｆ２に変更した状態で、高電圧Ｖｋをカソード電極１６に印加して、その際の蛍光体２８の輝度を測定しながら、隙間５０を形成する工程である（ステップＳ３３）。
この場合、電圧Ｖｋの周波数が周波数ｆ２に変化することにより、カソード電極１６とエミッタ部１４との間の電子放出及びプラズマの生成が増加する。これにより、エミッタ部１４からカソード電極１６の外周縁部４２が剥離して隙間５０が形成される。
ここで、高電圧パルスＶｋの周波数ｆは、例えば、ｆ１＝６０Ｈｚからｆ２＝８４０Ｈｚに変更すればよい。周波数ｆの変換には、例えば、発振器を用いて変更すればよい。
次いで、ステップＳ２に戻り、隙間５０の形成により蛍光体２８の輝度が初期状態の輝度よりも大きくなり、所定の輝度に増加したかを判定する。このステップＳ２で所定の輝度に達したと判定されれば、ステップＳ４に移り隙間５０の形成作業を終了し、電子放出素子１０Ａ１を初期状態に戻す。所定の輝度に達していない場合には、ステップＳ３１〜Ｓ３３の工程を再度行う。
なお、上記した第１の製造方法では、カソード電極１６の外周縁部４２をエミッタ部１４の表面から剥離させて隙間５０を形成する方法について述べたが、アノード電極２０の外周縁部をエミッタ部１４の表面から剥離させることにより、該アノード電極２０に隙間を形成することもできる。
この第１の製造方法では、蛍光体２８の輝度は、電子放出素子１０Ａ１の隙間５０に対向するエミッタ部１４の表面近傍（電子放出部）から放出される電子数あるいは電子放出素子１０Ａ１の電子放出効率に対応する。すなわち、蛍光体２８の輝度を測定することにより、電子放出素子１０Ａ１の電子放出効率を調べることが可能となる。従って、隙間５０の周辺部を直接観察して該隙間５０の完成度を判定する必要はなく、蛍光体２８の輝度を測定しながらカソード電極１６に供給される電圧を調整して隙間５０を形成すればよい。これにより、所望の電子放出効率を有する電子放出素子１０Ａ１を得ることができる。
また、上記した第１の製造方法の用途としては、例えば、電子放出素子１０Ａ１をディスプレイの電子放出源として用いる場合における輝度調整である。この場合、工場からの出荷前の最終検査において、最終検査の作業者が高電圧Ｖｋをカソード電極１６に印加して隙間５０を形成することにより、蛍光体２８の輝度を所望の輝度に調整する。これにより、出荷前のディスプレイに対する輝度調整を容易に行うことができる。
また、他の用途としては、電子放出素子１０Ａ１を内蔵するディスプレイを長期間使用している状態において、その輝度が低下したときの対策として行うものである。すなわち、第１の製造方法の実行機能を具備するメンテナンス装置を用いて、輝度が低下しているディスプレイに対して、メンテナンス作業者が第１〜第３の工程を行うことにより、該ディスプレイの輝度調整を行う。また、ディスプレイに予め第１〜第３の工程を行う機能を具備させて、該ディスプレイの輝度が低下したときに、前記ディスプレイの使用者が適宜第１〜第３の工程を行うようにしてもよい。
第２の製造方法は、エミッタ部１４にカソード電極１６を形成する製造工程の中に、隙間５０を形成する工程を含める方法である。この製造方法には、エッチングによる方法（第１の方法）とリフトオフによる方法（第２の方法）とがある。
第１の方法は、先ず、図２０Ａに示すように、エミッタ部１４となる誘電体５８の表面にわたって、カソード電極１６となる白金ペースト６０をスクリーン印刷法のような公知の方法で形成する。
次いで、図２０Ｂに示すように、フォトレジスト６２をスピンコート法により前記白金ペースト６０上に薄膜状に引き伸ばして配置する。
次いで、図２０Ｃに示すように、フォトレジスト６２を露光し現像することにより、白金ペースト６０の一部を露出部６４として露出させたフォトレジストパターン６６を形成する。
次いで、図２０Ｄに示すように、等方性エッチングにより露出した白金ペースト６０の露出部６４が削り取られてエミッタ部１４の表面の一部が露出する。また、フォトレジストパターン６６の直下のうち白金ペースト６０、露出部６４近傍の部分も削り取られる。
次いで、図２０Ｅに示すように、有機溶剤を用いての超音波洗浄によりフォトレジスト６２を取り除いた後、エミッタ部１４となる誘電体５８及び白金ペースト６０を一体に焼成する。これにより、エミッタ部１４とカソード電極１６とを有する電子放出素子１０Ａ１が得られる。この場合、前記削り取られた白金ペースト６０の部分が外周縁部４２として形成され、該外周縁部４２とエミッタ部１４との間に隙間５０が形成される。
第２の方法は、先ず、図２１Ａに示すように、エミッタ部１４となる誘電体６８の表面の一部を露出部７０として露出させるように、フォトレジスト７２を前記誘電体６８の表面に形成する。
次いで、図２１Ｂに示すように、例えば、スクリーン印刷法により、露出部７０の表面及びフォトレジスト７２の表面に白金ペースト７４を形成する。
次いで、図２１Ｃに示すように、有機溶剤を用いての超音波洗浄により、フォトレジスト７２を除去する。これに伴い、フォトレジスト７２上の白金ペースト７４が除去され、露出部７０の表面の白金ペースト７４が残る。
次いで、図２１Ｄに示すように、エミッタ部１４となる誘電体６８及び白金ペースト７４を一体に焼成する。これにより、エミッタ部１４とカソード電極１６とを有する電子放出素子１０Ａ１が得られる。この場合、白金ペースト７４の外周縁部が、外周縁部４２として形成される。
第２の製造方法では、カソード電極１６の形成工程に隙間５０の形成工程を含めるようにしたので、該隙間５０の製造工程が簡素化される。また、パターニング処理により隙間５０を形成するので、該隙間５０の形成をより正確に行うことができる。
なお、上述した第２の製造方法では、エミッタ部１４及びカソード電極１６の製造工程について示したが、上述した第２の製造方法をエミッタ部１４に対するアノード電極２０の形成方法に適用できることはもちろんである。また、上述した第２の製造方法により、エミッタ部１４とアノード電極２０との間に隙間５０を設けることも可能である。
次に、第２の具体例に係る電子放出素子１０Ａ２について説明する。この第２の具体例に係る電子放出素子１０Ａ２は、図２２及び図２３Ａに示すように、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａの構成と類似しているが、カソード電極１６をエミッタ部１４に投影したときの投影像１６Ａと、アノード電極２０をエミッタ部１４に投影したときの投影像２０Ａとを比較したとき、前記アノード電極２０の投影像２０Ａが前記カソード電極１６の投影像１６Ａからはみ出している点で異なる。
この場合、アノード電極２０の投影像２０Ａのはみ出しは、図２３Ａに示すように、カソード電極１６の投影像１６Ａの外周縁部４２Ａから全体的にはみ出している場合もあれば、図２３Ｂに示すように、部分的にはみ出している場合であってもよい。
そして、アノード電極２０の投影像２０Ａの一部又は全部がカソード電極１６の投影像１６Ａからはみ出しているとき、アノード電極２０のはみ出している方向に関するカソード電極１６の投影像１６Ａの幅Ｗ１と、アノード電極２０のはみ出している方向に関する該アノード電極２０の投影像２０Ａの幅Ｗ２とから、カソード電極１６の投影像１６Ａからアノード電極２０の投影像２０Ａがはみ出している量を突出量Ｗ（＝（Ｗ２−Ｗ１）／２）と定義すると、Ｗ＝１〜５００μｍであることが好ましい。なお、図２３Ｃに示すように、アノード電極２０のはみ出し部分が多数存在している場合には、最もはみ出している部分の突出量Ｗを以って当該アノード電極２０の投影像２０Ａの突出量Ｗと定義する。
なお、図２３Ｂ及び図２３Ｃでは、カソード電極１６をエミッタ部１４の表面に接して形成して、該カソード電極１６とその投影像１６Ａとが図面上で一致するようにしている。また、アノード電極２０をエミッタ部１４の表面に接して形成して、該アノード電極２０とその投影像２０Ａとが図面上で一致するようにしている。
この電子放出素子１０Ａ２では、カソード電極１６からはみ出すようにアノード電極２０を形成しているので、図２４Ａ及び図２４Ｂに示すように、カソード電極１６に覆われていないエミッタ部１４の内部において、分極（図２４Ａ）及び分極反転（図２４Ｂ）が容易に得られる。そのため、図２４Ｂに示すように、分極反転が発生した際には、電界集中の発生しているカソード電極１６のトリプルジャンクションＡから容易に電子を引き出すことができ、電子放出素子１０Ａ２の電子放出効率を向上させることができる。
なお、突出量Ｗが１μｍ未満であるとエミッタ部１４における電子放出面積が減少するので上記した分極及び分極反転の効果が得られにくい。また、突出量Ｗが５００μｍを超えると、トリプルジャンクションＡによる電界集中の影響を受けにくいエミッタ部１４の箇所も増えるので、電子放出素子１０Ａ２の電子放出効率が却って低下する。
次に、第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂについて説明する。
この第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂは、図２５に示すように、１つの基板１２に複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）が形成されている点以外は、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａとほぼ同様の構成を有する。
すなわち、電子放出素子１０Ｂは、１つの基板１２の表面にそれぞれ独立して各アノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃが形成され、該アノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃの上面にエミッタ部１４ａ、１４ｂ、１４ｃが形成され、さらに、エミッタ部１４ａ、１４ｂ、１４ｃを間に挟んでカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃが形成されている。そして、各電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）の間には、スリット８０が設けられている。
次に、電子放出素子１０Ｂの製造方法について、例えば、エッチング工程による製造方法について説明する。
先ず、図２６Ａに示すように基板１２となる材料（例えば、ガラス板）１２Ａ上に白金ペースト８２を、例えばスクリーン印刷法により形成してから、白金ペースト８２上にフォトレジスト８４を形成する。
次いで、図２６Ｂに示すように、フォトレジスト８４に対してマスクパターンを投影し現像することにより、所定のフォトレジストパターン８６を形成する。
次いで、図２６Ｃに示すように、エッチングを行って白金ペースト８２のうち、フォトレジストパターン８６で覆われていない白金ペースト８２の部分を除去し、さらに、有機溶剤を用いて超音波洗浄を行い、フォトレジストパターン８６を除去する。これによりアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃとなる白金ペースト８２ａ、８２ｂ、８２ｃが形成される。
次いで、図２６Ｄに示すように、白金ペースト８２ａ、８２ｂ、８２ｃを覆うように、誘電体９０を材料１２Ａ上に配置する。
次いで、図２６Ｅに示すように、誘電体９０上に白金ペースト９２を、例えばスクリーン印刷法により形成し、さらに、白金ペースト９２上にフォトレジスト９４を形成する。
次いで、図２７Ａに示すように、フォトレジスト９４に対してマスクパターンを投影し現像することにより、所定のフォトレジストパターン９６を形成する。
次いで、図２７Ｂに示すように、エッチングを行って白金ペースト９２のうち、フォトレジストパターン９６で覆われていない白金ペースト９２の部分を除去し、さらに有機溶剤を用いて超音波洗浄を行い、フォトレジストパターン９６を除去する。これによりカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃとなる白金ペースト９２ａ、９２ｂ、９２ｃが形成される。
次いで、図２７Ｃに示すように、白金ペースト９２ａ、９２ｂ、９２ｃ及び誘電体９０上にフォトレジストを形成し、さらに、前記フォトレジストに対してマスクパターンを投影する。これにより、白金ペースト９２ａ、９２ｂ、９２ｃの間の誘電体９０の表面を露出するフォトレジストパターン９８が形成される。この場合、フォトレジストパターン９８は、白金ペースト９２ａ、９２ｂ、９２ｃをそれぞれ覆うようなパターンとする。
次いで、図２７Ｄに示すように、エッチングにより露出した誘電体９０の一部を除去して、エミッタ部１４ａ、１４ｂ、１４ｃとなる誘電体９０ａ、９０ｂ、９０ｃを形成し、さらに、有機溶剤を用いて超音波洗浄を行うことにより、フォトレジストパターン９８を除去する。これにより、誘電体９０ａ、９０ｂ、９０ｃの間にスリット８０が形成される。
次いで、図２７Ｄに示す材料１２Ａ、誘電体９０ａ、９０ｂ、９０ｃ及び白金ペースト８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、９２ａ、９２ｂ、９２ｃを一体焼成する。これにより、図２５に示す電子放出素子１０Ｂが形成される。
この製造方法では、電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）の間にスリット８０が形成されている。この場合、電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）の間には静電結合が存在する。また、誘電率の高いエミッタ部１４となる誘電体９０の一部を除去して真空からなるスリット８０を形成することにより、静電結合が激減され、これにより電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）間のクロストークを除去することができる。また、１つの基板１２に対して複数の電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を形成することができるので、例えば、大画面のディスプレイの画素の部品として好適である。
上記した基板１２を構成する材料について説明する。基板１２は、配線等を考慮して、電気的な絶縁材料で構成するのが好ましい。従って、基板１２を、ガラス、又は高耐熱性の金属、あるいはその金属表面をガラス等のセラミック材料によって被覆したホーローのような材料により構成することができるが、セラミックスで構成するのが最適である。
基板１２を構成するセラミックスとしては、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、スピネル、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス、これらの混合物等を使用することができる。その中でも、酸化アルミニウム及び安定化された酸化ジルコニウムが、強度及び剛性の観点から好ましい。安定化された酸化ジルコニウムは、機械的強度が比較的高いこと、靭性が比較的高いこと、カソード電極１６及びアノード電極２０との化学反応が比較的小さいこと等の観点から特に好適である。なお、安定化された酸化ジルコニウムとは、安定化酸化ジルコニウム及び部分安定化酸化ジルコニウムを包含する。安定化された酸化ジルコニウムでは、立方晶等の結晶構造をとるため、相転移が生じない。
一方、酸化ジルコニウムは、１０００℃前後で単斜晶と正方晶との間を相転移し、このような相転移の際にクラックが発生するおそれがある。安定化された酸化ジルコニウムは、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、希土類金属の酸化物等の安定剤を、１〜３０モル％含有する。なお、基板１２の機械的強度を向上させるために、安定化剤が酸化イットリウムを含有すると好適である。この場合、酸化イットリウムを、好適には１．５〜６モル％、さらに好適には２〜４モル％含有し、さらに０．１〜５モル％の酸化アルミニウムを含有することが好ましい。
また、結晶相を、立方晶＋単斜晶の混合相、正方晶＋単斜晶の混合相、立方晶＋正方晶＋単斜晶の混合相等とすることができるが、その中でも、主たる結晶相を、正方晶又は正方晶＋立方晶の混合相としたものが、強度、靭性及び耐久性の観点から最適である。
基板１２をセラミックスから構成した場合、比較的多数の結晶粒が基板１２を構成するが、基板１２の機械的強度を向上させるためには、結晶粒の平均粒径を、好適には０．０５〜２μｍとし、さらに好適には０．１〜１μｍとするとよい。
基板１２の上にエミッタ部１４を形成する方法としては、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動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）、めっき等の各種薄膜形成法を用いることができる。
また、電子放出素子１０Ｂの焼成処理としては、上述したようにエミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０となる材料を積層してから一体構造として焼成するようにしてもよいし、エミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０をそれぞれ形成するたびに熱処理（焼成処理）して基板１２と一体構造にするようにしてもよい。なお、カソード電極１６及びアノード電極２０の形成方法によっては、一体化のための熱処理（焼成処理）を必要としない場合もある。
基板１２と、エミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０とを一体化させるための焼成処理に係る温度としては、５００〜１４００℃の範囲、好適には、１０００〜１４００℃の範囲とするとよい。さらに、膜状のエミッタ部１４を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１４の組成が不安定にならないように、エミッタ部１４の蒸発源と共に雰囲気制御を行いながら焼成処理を行うことが好ましい。
また、エミッタ部１４を適切な部材によって被覆し、エミッタ部１４の表面が焼成雰囲気に直接露出しないようにして焼成する方法を採用してもよい。この場合、被覆部材としては、基板１２と同様の材料を用いることが好ましい。
次に、第２の実施の形態の変形例に係る電子放出素子１０Ｂ１は、図２８に示すように、基板１２の表面に誘電体１００ａ、１００ｂ、１００ｃがそれぞれ形成され、該誘電体１００ａ、１００ｂ、１００ｃの表面にアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃがそれぞれ形成されている。
そして、アノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃの一部を露出するように、エミッタ部１４ａ、１４ｂ、１４ｃがアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ及び誘電体１００ａ、１００ｂ、１００ｃの表面に形成されている。さらに、エミッタ部１４ａ、１４ｂ、１４ｃの表面にカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃが形成されている。
これにより、エミッタ部１４ａ、１４ｂ、１４ｃとカソード電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃとアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃとを有する３つの電子放出素子（１）、１０（２）、１０（３）が基板１２上に構成される。この場合、各電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）間には基板１２が露出するスリット８０が設けられ、該スリット８０には配線パターン１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが形成されている。そして、アノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃのうち、露出している部分と配線パターン１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃとがそれぞれ接続されている。この場合、誘電体１００ａ、１００ｂ、１００ｃとエミッタ部１４ａ、１４ｂ、１４ｃとは同じ材質の誘電体であることが好ましい。
この電子放出素子１０Ｂ１を製造するには、先ず、図２９Ａに示すように、基板１２となる材料（例えば、ガラス板）１２Ａ上に誘電体１００ａ、１００ｂ、１００ｃとなる誘電体１００を配置してから、該誘電体１００上にフォトレジスト１０６を形成する。
次いで、図２９Ｂに示すように、フォトレジスト１０６に対してマスクパターンを投影して現像し、誘電体１００の一部が露出するフォトレジストパターン１０８を形成する。
次いで、図２９Ｃに示すように、エッチングを行ってから、有機溶剤を用いて超音波洗浄を行うことにより、誘電体１００の露出部分が材料１２Ａの表面から削り取られる。さらに、材料１２Ａ及び残余の誘電体１００を焼成することにより、基板１２及び誘電体１００ａ、１００ｂ、１００ｃが形成される。また、誘電体１００ａ、１００ｂ、１００ｃの間にもスリット８０が形成される。
次いで、図２９Ｄに示すように、予め別個に製造した電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を誘電体１００ａ、１００ｂ、１００ｃ上にそれぞれ配置し、例えば、熱処理（焼成処理）によって、該電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を誘電体１００ａ、１００ｂ、１００ｃに固着する。この場合、エミッタ部１４ａ、１４ｂ、１４ｃの下面の一部及びアノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃの下面が、誘電体１００ａ、１００ｂ、１００ｃの上面に接するように配置する。これにより、電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）の製造方法は、例えば、図２０及び図２１に示した第１の具体例に係る電子放出素子１０Ａ１の製造方法を用いればよい。
次いで、配線パターン１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを基板１２に形成して、アノード電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃの露出部分と接続し、図２８に示す電子放出素子１０Ｂ１を得る。
この電子放出素子１０Ｂ１では、予め製造した電子放出素子１０（１）、１０（２）、１０（３）を誘電体１００ａ、１００ｂ、１００ｃを介して基板１２に配置するので、この場合も大画面のディスプレイの画素の部品として好適である。
次に、第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃについて図３０を参照しながら説明する。
この第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃは、図３０に示すように、上述した第１の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、例えばセラミックスで構成された１つの基板１１０を有する点と、アノード電極２０が基板１１０上に形成され、エミッタ部１４が基板１１０上であって、且つ、アノード電極２０を覆うように形成され、更にカソード電極１６がエミッタ部１４上に形成されている点で異なる。
基板１１０の内部には、各エミッタ部１４が形成される部分に対応した位置に、後述する薄肉部を形成するための空所１１２が設けられている。空所１１２は、基板１１０の他端面に設けられた径の小さい貫通孔１１４を通じて外部と連通されている。
前記基板１１０のうち、空所１１２の形成されている部分が薄肉とされ（以下、薄肉部１１６と記す）、それ以外の部分が厚肉とされて前記薄肉部１１６を支持する固定部１１８として機能するようになっている。
つまり、基板１１０は、最下層である基板層１１０Ａと中間層であるスペーサ層１１０Ｂと最上層である薄板層１１０Ｃの積層体であって、スペーサ層１１０Ｂのうち、エミッタ部１４に対応する箇所に空所１１２が形成された一体構造体として把握することができる。基板層１１０Ａは、補強用基板として機能するほか、配線用の基板としても機能するようになっている。なお、前記基板１１０は、基板層１１０Ａ、スペーサ層１１０Ｂ及び薄板層１１０Ｃの一体焼成で形成してもよいし、これら層１００Ａ〜１１０Ｃを接着して形成するようにしてもよい。
薄肉部１１６は、高耐熱性材料であることが好ましい。その理由は、エミッタ部１４を有機接着剤等の耐熱性に劣る材料を用いずに、固定部１１８によって直接薄肉部１１６を支持させる構造とする場合、少なくともエミッタ部１４の形成時に、薄肉部１１６が変質しないようにするため、薄肉部１１６は、高耐熱性材料であることが好ましい。
また、薄肉部１１６は、基板１１０上に形成されるカソード電極１６に通じる配線とアノード電極２０に通じる配線との電気的な分離を行うために、電気絶縁材料であることが好ましい。
従って、薄肉部１１６の材料としては、高耐熱性の金属あるいはその金属表面をガラス等のセラミック材料で被覆したホーロウ等の材料であってもよいが、セラミックスが最適である。
薄肉部１１６を構成するセラミックスとしては、上述した第２の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｂの基板１２を構成するセラミックスとほぼ同様の材料を用いることができる。従って、ここでは、薄肉部１１６の材料についての重複説明を省略する。
一方、固定部１１８は、セラミックスからなることが好ましいが、薄肉部１１６の材料と同一のセラミックスでもよいし、異なっていてもよい。固定部１１８を構成するセラミックスとしては、薄肉部１１６の材料と同様に、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、スピネル、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス、これらの混合物等を用いることができる。
特に、この電子放出素子１０Ｃで用いられる基板１１０は、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、又はこれらの混合物を主成分とする材料等が好適に採用される。その中でも、酸化ジルコニウムを主成分としたものが更に好ましい。
なお、焼結助剤として粘土等を加えることもあるが、酸化珪素、酸化ホウ素等のガラス化し易いものが過剰に含まれないように、助剤成分を調節する必要がある。なぜなら、これらのガラス化し易い材料は、基板１１０とエミッタ部１４とを接合させる上で有利ではあるものの、基板１１０とエミッタ部１４との反応を促進し、所定のエミッタ部１４の組成を維持することが困難となり、その結果、素子特性を低下させる原因となるからである。
即ち、基板１１０中の酸化珪素等は重量比で３％以下、更に好ましくは１％以下となるように制限することが好ましい。ここで、主成分とは、重量比で５０％以上の割合で存在する成分をいう。
また、前記薄肉部１１６の厚みとエミッタ部１４の厚みは、同次元の厚みであることが好ましい。なぜなら、薄肉部１１６の厚みが極端にエミッタ部１４の厚みより厚くなると（１桁以上異なると）、エミッタ部１４の焼成収縮に対して、薄肉部１１６がその収縮を妨げるように働くため、エミッタ部１４と基板１１０との界面での応力が大きくなり、はがれ易くなる。反対に、厚みの次元が同程度であれば、エミッタ部１４の焼成収縮に基板１１０（薄肉部１１６）が追従し易くなるため、一体化には好適である。具体的には、薄肉部１１６の厚みは、１〜１００μｍであることが好ましく、３〜５０μｍが更に好ましく、５〜２０μｍがより一層好ましい。一方、エミッタ部１４は、その厚みとして５〜１００μｍが好ましく、５〜５０μｍが更に好ましく、５〜３０μｍがより一層好ましい。
そして、基板１１０上にエミッタ部１４を形成する方法としては、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動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）、めっき等の各種薄膜形成法を用いることができる。
また、電子放出素子１０Ｃの焼成処理としては、基板１１０上にアノード電極２０となる材料、エミッタ部１４となる材料及びカソード電極１６となる材料を順次積層してから一体構造として焼成するようにしてもよいし、アノード電極２０、エミッタ部１４、カソード電極１６をそれぞれ形成するたびに熱処理（焼成処理）して基板１１０と一体構造にするようにしてもよい。なお、カソード電極１６及びアノード電極２０の形成方法によっては、一体化のための熱処理（焼成処理）を必要としない場合もある。
基板１１０と、エミッタ部１４、カソード電極１６及びアノード電極２０とを一体化させるための焼成処理に係る温度としては、５００〜１４００℃の範囲、好適には、１０００〜１４００℃の範囲とするとよい。さらに、膜状のエミッタ部１４を熱処理する場合、高温時にエミッタ部１４の組成が不安定にならないように、エミッタ部１４の蒸発源と共に雰囲気制御を行いながら焼成処理を行うことが好ましい。
また、エミッタ部１４を適切な部材によって被覆し、エミッタ部１４の表面が焼成雰囲気に直接露出しないようにして焼成する方法を採用してもよい。この場合、被覆部材としては、基板１１０と同様の材料を用いることが好ましい。
この第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ｃにおいては、焼成時においてエミッタ部１４が収縮することになるが、この収縮時に発生する応力が空所１１２の変形等を通じて開放されることから、エミッタ部１４を十分に緻密化させることができる。エミッタ部１４の緻密化が向上することにより、耐電圧が向上すると共に、エミッタ部１４での分極反転並びに分極変化が効率よく行われることになり、電子放出素子１０Ｃとしての特性が向上することになる。
上述した第３の実施の形態では、基板１１０として３層構造の基板を用いたが、その他、図３１の変形例に係る電子放出素子１０Ｃａに示すように、最下層の基板層１１０Ａを省略した２層構造の基板１１０ａを用いてもよい。
上述した第１〜第３の実施の形態に係る電子放出素子１０Ａ〜１０Ｃにおいては、図１及び図２５に示すように、コレクタ電極２４に蛍光体２８を塗布してディスプレイの画素として構成した場合、以下のような効果を奏することができる。
（１）ＣＲＴと比して超薄型（パネルの厚み＝数ｍｍ）にすることができる。
（２）蛍光体２８による自然発光のため、ＬＣＤ（液晶表示装置）やＬＥＤ（発光ダイオード）と比してほぼ１８０°の広視野角を得ることができる。
（３）面電子源を利用しているため、ＣＲＴと比して画像歪みがない。
（４）ＬＣＤと比して高速応答が可能であり、μｓｅｃオーダーの高速応答で残像のない動画表示が可能となる。
（５）４０インチ換算で１００Ｗ程度であり、ＣＲＴ、ＰＤＰ（プラズマディスプレイ）、ＬＣＤ及びＬＥＤと比して低消費電力である。
（６）ＰＤＰやＬＣＤと比して動作温度範囲が広い（−４０〜＋８５℃）。ちなみに、ＬＣＤは低温で応答速度が低下する。
（７）大電流出力による蛍光体の励起が可能であるため、従来のＦＥＤ方式のディスプレイと比して高輝度化が可能である。
（８）圧電体材料の分極反転特性（若しくは分極変化特性）及び膜厚により駆動電圧を制御可能であるため、従来のＦＥＤ方式のディスプレイと比して低電圧駆動が可能である。
このような種々の効果から、以下に示すように、様々なディスプレイ用途を実現させることができる。
（１）高輝度化と低消費電力化が実現できるという面から、３０〜６０インチディスプレイのホームユース（テレビジョン、ホームシアター）やパブリックユース（待合室、カラオケ等）に最適である。
（２）高輝度化、大画面、フルカラー、高精細度が実現できるという面から、顧客吸引力（この場合、視覚的な注目）に効果が大であり、横長、縦長等の異形状ディスプレイや、展示会での使用、情報案内板用のメッセージボードに最適である。
（３）高輝度化、蛍光体励起に伴う広視野角化、真空モジュール化に伴う広い動作温度範囲が実現できるという面から、車載用ディスプレイに最適である。車載用ディスプレイとしての仕様は、１５：９等の横長８インチ（画素ピッチ０．１４ｍｍ）、動作温度が−３０〜＋８５℃、斜視方向で５００〜６００ｃｄ／ｍ2が必要である。
また、上述の種々の効果から、以下に示すように、様々な光源用途を実現させることができる。
（１）高輝度化、低消費電力化が実現できるという面から、輝度仕様として２０００ルーメンが必要なプロジェクタ用の光源に最適である。
（２）高輝度２次元アレー光源を容易に実現できることと、動作温度範囲が広く、屋外環境でも発光効率に変化がないことから、ＬＥＤの代替用途として有望である。例えば信号機等の２次元アレーＬＥＤモジュールの代替として最適である。なお、ＬＥＤは、２５℃以上で許容電流が低下し、低輝度となる。
なお、本発明に係る電子放出素子及びその製造方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
第１の実施の形態に係る電子放出素子を示す構成図である。 第１の実施の形態に係る電子放出素子の電極部分を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る電子放出素子の第１の変形例における電極部分を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る電子放出素子の第２の変形例における電極部分を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る電子放出素子の第３の変形例を示す構成図である。 第１の実施の形態に係る電子放出素子の第４の変形例を示す構成図である。 パルス発生源から出力される駆動電圧を示す波形図である。 第１の実施の形態において、カソード電極とアノード電極間に第１の電圧を印加した際の電子放出作用を示す説明図である。 カソード電極とアノード電極間に第２の電圧を印加した際の電子放出作用を示す説明図である。 エミッタ部の表面での負極性帯電に伴って電子放出の自己停止の作用を示す説明図である。 放出された２次電子のエネルギーと２次電子の放出量の関係を示す特性図である。 図１２Ａは、駆動電圧の一例を示す波形図であり、図１２Ｂは、第１の実施の形態に係る電子放出素子におけるアノード電極とカソード電極間の電圧の変化を示す波形図である。 第１の具体例に係る電子放出素子を示す構成図である。 図１４Ａは図１３の電子放出素子における電界集中のポイントを示す図であり、図１４Ｂは図１３の電子放出素子における電子放出を示す図である。 図１５Ａはカソード電極から引き出された電子の放出を示す図であり、図１５Ｂはカソード電極から引き出された電子及び２次電子の放出を示す図である。 第１の具体例に係る電子放出素子の製造方法（第１の方法）を示す構成図である。 第１の方法において電子放出素子に印加される高電圧を示す波形図である。 第１の方法を示すフローチャートである。 図１９Ａは第１の方法の第１の工程を示す構成図であり、図１９Ｂは第１の方法の第２の工程を示す構成図であり、図１９Ｃは第１の方法の第３の工程を示す構成図である。 図２０Ａ〜図２０Ｅは第１の具体例に係る電子放出素子の製造方法（第１の方法）を示す工程図である。 図２１Ａ〜図２１Ｄは第１の具体例に係る電子放出素子の製造方法（第２の方法）を示す工程図である。 第２の具体例に係る電子放出素子を示す構成図である。 図２３Ａ〜図２３Ｃは第２の具体例に係る電子放出素子を示す平面図である。 図２４Ａは図２２の電子放出素子においてエミッタ部内部の分極を示す図であり、図２４Ｂは図２２の電子放出素子においてエミッタ部内部の分極反転及び電子放出を示す図である。 第２の実施の形態に係る電子放出素子を示す構成図である。 図２６Ａ〜図２６Ｅは第２の実施の形態に係る電子放出素子の製造方法を示す工程図（その１）である。 図２７Ａ〜図２７Ｄは第２の実施の形態に係る電子放出素子の製造方法を示す工程図（その２）である。 第２の実施の形態の変形例に係る電子放出素子を示す構成図である。 図２９Ａ〜図２９Ｄは第２の実施の形態の変形例に係る電子放出素子の製造方法を示す工程図である。 第３の実施の形態に係る電子放出素子を示す構成図である。 第３の実施の形態に係る電子放出素子の変形例を示す構成図である。
符号の説明
１０Ａ〜１０Ｃ…電子放出素子 １２…基板
１４…エミッタ部 １６…カソード電極
２０…アノード電極 ２２…パルス発生源
２４…コレクタ電極 ２８…蛍光体
４２…外周縁部 ５０…隙間
５１…下面 ５４…基端
５６…先端

Claims (26)

  1. 誘電体で構成されたエミッタとなる物質と、
    前記エミッタとなる物質の第１の面に接して形成された第１の電極と、
    前記エミッタとなる物質の第２の面に接して形成された第２の電極とを有し、
    少なくとも前記第１の電極の外周縁部と、前記エミッタとなる物質の前記第１の面との間には隙間が設けられ、
    前記エミッタとなる物質の前記第１の面と、該第１の面に対向する前記外周縁部の下面との接触によって基端が形成され、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記エミッタとなる物質の分極反転を発生させるための駆動電圧が印加されることによって、前記外周縁部の先端と前記基端とに電界集中が発生して、電子が放出される
    ことを特徴とする電子放出素子。
  2. 請求項１記載の電子放出素子において、
    前記外周縁部の前記先端は先鋭状である
    ことを特徴とする電子放出素子。
  3. 請求項１又は２記載の電子放出素子において、
    前記エミッタとなる物質の前記第１の面と、前記外周縁部の前記下面との接触によって形成される角度は、９０°以下である
    ことを特徴とする電子放出素子。
  4. 誘電体で構成されたエミッタとなる物質と、
    前記エミッタとなる物質の第１の面に接して形成された第１の電極と、
    前記エミッタとなる物質の第２の面に接して形成された第２の電極とを有し、
    前記第１の面に前記第１の電極を投影し、前記第２の面に前記第２の電極を投影し、前記第１の電極の投影像と前記第２の電極の投影像とを比較した場合、
    前記第２の電極の投影像が前記第１の電極の投影像からはみ出している
    ことを特徴とする電子放出素子。
  5. 請求項４記載の電子放出素子において、
    前記第２の電極の投影像の外周縁部のうち、前記第１の電極の投影像の外周縁部からはみ出している部分は、該第１の電極の投影像の外周縁部の先端から最大で１〜５００μｍはみ出している
    ことを特徴とする電子放出素子。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
    少なくとも前記第１の電極はサーメットから構成されている
    ことを特徴とする電子放出素子。
  7. 請求項６記載の電子放出素子において、
    前記サーメットは金、白金又は銀と、圧電／電歪材料とから構成されている
    ことを特徴とする電子放出素子。
  8. 請求項７記載の電子放出素子において、
    前記圧電／電歪材料は、体積比で１０〜４０％である
    ことを特徴とする電子放出素子。
  9. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加した際に発生する前記エミッタとなる物質の分極反転による疲労を抑制するために、
    少なくとも前記第１の電極は金属酸化物から構成されている
    ことを特徴とする電子放出素子。
  10. 請求項９記載の電子放出素子において、
    前記金属酸化物から構成される前記第１の電極は、ＲｕＯ2、ＩｒＯ2、ＳｒＲｕＯ3又はＬａ1-xＳｒxＣｏＯ3から構成される
    ことを特徴とする電子放出素子。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
    前記エミッタとなる物質は高融点の誘電体で構成する
    ことを特徴とする電子放出素子。
  12. 請求項１１記載の電子放出素子において、
    前記誘電体はＰｂを含まない材料である
    ことを特徴とする電子放出素子。
  13. 請求項１２記載の電子放出素子において、
    前記Ｐｂを含まない材料は、ＢａＴｉＯ3又はＢａ1-xＳｒxＴｉＯ3から構成される
    ことを特徴とする電子放出素子。
  14. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
    前記エミッタとなる物質は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加した際に発生する前記エミッタとなる物質の分極反転による疲労を抑制する材料で構成されている
    ことを特徴とする電子放出素子。
  15. 請求項１４記載の電子放出素子において、
    前記分極反転による疲労を抑制する材料は、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウムである
    ことを特徴とする電子放出素子。
  16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
    前記第２の電極が基板の上面に複数形成され、
    前記複数の第２の電極を覆うように前記エミッタとなる物質が前記基板の上面に形成され、
    前記エミッタとなる物質の上面に、前記第２の電極に対向して前記第１の電極が形成されている場合に、
    前記エミッタとなる物質の間には、前記基板の上面を露出させるスリットが形成されている
    ことを特徴とする電子放出素子。
  17. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
    誘電体が基板の上面に複数形成され、
    前記第２の電極が前記複数の誘電体の上面にそれぞれ形成され、
    前記第２の電極の上面と前記誘電体の上面とに前記エミッタとなる物質が形成され、
    前記各エミッタとなる物質の上面に、前記第２の電極に対向して前記第１の電極が形成されている場合に、
    前記基板の上面に配線パターンが形成され、
    前記第２の電極の一部と前記配線パターンとが接続されている
    ことを特徴とする電子放出素子。
  18. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電子放出素子において、
    前記エミッタとなる物質の上方のうち、少なくとも前記第１の電極に対向した位置に第３の電極が配置され、該第３の電極の表面には蛍光体が形成されている
    ことを特徴とする電子放出素子。
  19. 誘電体で構成されたエミッタとなる物質の上面に接して上面電極を形成し、
    前記エミッタとなる物質の下面に接して下面電極を形成し、
    前記上面電極と前記下面電極との間に高電圧を印加して、少なくとも前記上面電極の外周縁部と前記エミッタとなる物質の上面との間に隙間を設ける
    ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
  20. 請求項１９記載の電子放出素子の製造方法において、
    前記隙間を設ける際に、前記外周縁部の先端を先鋭状に形成する
    ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
  21. 請求項１９又は２０記載の電子放出素子の製造方法において、
    前記エミッタとなる物質の上方のうち、少なくとも前記上面電極に対向した位置に他の電極を配置し、
    前記他の電極の表面に蛍光体を形成し、
    前記上面電極と前記下面電極との間に前記高電圧を印加し、且つ、前記他の電極に他の電圧を印加することにより、少なくとも前記エミッタとなる物質の上面から放出された電子を前記蛍光体に衝突させて、該蛍光体を励起して発光を行わせる場合に、
    前記発光の際の前記蛍光体の輝度を測定することにより、前記隙間の完成度を判定する
    ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
  22. 請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の電子放出素子の製造方法において、
    電源から抵抗を介して前記高電圧を印加する場合に、
    前記抵抗の抵抗値を低減することにより、前記隙間を形成する
    ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
  23. 請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の電子放出素子の製造方法において、
    前記高電圧の電圧値を大きくすることにより、前記隙間を形成する
    ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
  24. 請求項１９〜２３のいずれか１項に記載の電子放出素子の製造方法において、
    前記高電圧の周波数を高くすることにより、前記隙間を形成する
    ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
  25. 基板の上面に複数の下面電極を形成し、
    前記複数の下面電極を覆うように誘電体を前記基板の上面に形成し、
    前記誘電体の上面に前記各下面電極と対向して上面電極を形成し、
    前記上面電極及び前記下面電極に挟まれていない前記誘電体の一部を除去することにより、前記上面電極と前記下面電極とに挟まれた前記誘電体の残部をエミッタとなる物質として構成する
    ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
  26. 基板の上面に複数の誘電体を形成し、
    誘電体で構成されたエミッタとなる物質と、前記エミッタとなる物質の上面に形成された上面電極と、前記エミッタとなる物質の下面に形成された下面電極とを有する複数の電子放出素子を、
    前記下面電極の下面と前記複数の誘電体の上面とが接するように、前記各電子放出素子を前記各誘電体にそれぞれ配置し、
    前記基板の上面に配線パターンを形成してから前記下面電極と該配線パターンとを接続する
    ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。

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