JP2010267583A - Electron emission element and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧を印加することにより電子を放出させることができる電子放出素子に関するものである。 The present invention relates to an electron-emitting device that can emit electrons by applying a voltage.
電界放出表示素子としては、従来から、先端を鋭く尖らせたシリコンあるいはモリブデンといったマイクロエミッタが知られている。しかし、導電性ファイバであるカーボンナノチューブ(Carbon Nano-Tube: CNT)は、ナノレベルの径を有し、高アスペクト比、高電流密度、高靱性、発達した黒鉛構造に起因する高耐熱性および高化学的安定性を持つことから、前述の金属性のマイクロエミッタよりも優れた電界放出表示素子として期待されている。 Conventionally, as a field emission display element, a microemitter such as silicon or molybdenum having a sharp tip is known. However, carbon nanotubes (Carbon Nano-Tube: CNT), which are conductive fibers, have a nano-level diameter, high aspect ratio, high current density, high toughness, high heat resistance and high resistance due to the developed graphite structure. Since it has chemical stability, it is expected to be a field emission display device superior to the aforementioned metallic microemitter.
特開2001−35424号公報では、基板101の一方の面に多数の突起102が形成された剣山状部材を作製する。基板101はAl2O3単結晶板であり、突起102は酸化亜鉛である。この剣山状部材の突起102側の表面全体に金属薄膜103を形成することにより、多数の突起状の電子放出体104を得る。突起102の先端部は凸状になっていて、その尖鋭度(頂点部分を所定範囲で2次曲線に近似することにより算出される値)を示す曲率半径は10μm以下であり、冷陰極素子の製造方法がスピント型素子よりも簡単であって、発光効率の高い発光装置を得ている(図11参照)。 In Japanese Patent Laid-Open No. 2001-35424, a sword mountain-like member having a large number of protrusions 102 formed on one surface of a substrate 101 is produced. The substrate 101 is an Al 2 O 3 single crystal plate, and the protrusions 102 are zinc oxide. By forming the metal thin film 103 on the entire surface of the sword-like member on the protrusion 102 side, a large number of protrusion-shaped electron emitters 104 are obtained. The tip of the protrusion 102 is convex, and the radius of curvature indicating the sharpness (a value calculated by approximating the apex portion to a quadratic curve within a predetermined range) is 10 μm or less. A manufacturing method is simpler than that of a Spindt-type element, and a light emitting device with high luminous efficiency is obtained (see FIG. 11).
また、特開2001−236879号公報では、陰極105上にベース層を形成したり、またはしない状態で触媒層106を形成し、スピント法で触媒層上にカーボンナノチューブ107を成長させる方法であって、マイクロキャビティーの外部の触媒層上には非反応層を形成してマイクロキャビティーの内部の触媒層106上にだけカーボンナノチューブ107を成長させることによって、分離層を蝕刻して除去する場合にも外部のカーボンナノチューブ107が存在しないことによりカーボンナノチューブ107がマイクロキャビティー内に流れ込むことはない。これにより、生産収率が高まると同時に生産コストが低くなることが開示されている(図12参照)。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-236879 is a method in which a base layer is formed on a cathode 105 or not, a catalyst layer 106 is formed, and a carbon nanotube 107 is grown on the catalyst layer by a Spindt method. When the separation layer is etched and removed by forming a non-reactive layer on the catalyst layer outside the microcavity and growing the carbon nanotubes 107 only on the catalyst layer 106 inside the microcavity. However, since the external carbon nanotube 107 does not exist, the carbon nanotube 107 does not flow into the microcavity. Thereby, it is disclosed that the production cost is increased while the production yield is increased (see FIG. 12).
これらの電子放出原理について説明する。固体表面に強い電界がかかると,電子を固体内に閉じ込めている表面のポテンシャル障壁が低くかつ薄くなり,電子がトンネル効果により,真空中に放出される.電子を放出させるには,107V/cmオーダーの強い電界を表面にかけなければならない。このような強電界を実現するために,通常は先端を鋭く尖らせた金属針が用いられる。その針に負の電圧を掛けると,尖った先端に電界が集中し,必要とされる強電界が得られる。スピント型のエミッタは、この針をエッチングなどの半導体加工技術を応用して、作成される。また、カーボンナノチューブ型エミッタは、CNT素子を樹脂などに混練、塗布により製造され、 (1) 鋭い先端と大きなアスペクト比を持ち、(2) 化学的に安定で、(3) 機械的にも強靭で、さらに (4) 原子の拡散がなく高温での安定性に優れており、(5) 導電性をもつなど、電界放出のエミッタ材料として有利な物理化学的性質を備えているとされている。 These electron emission principles will be described. When a strong electric field is applied to the solid surface, the potential barrier on the surface confining the electrons in the solid becomes low and thin, and the electrons are released into the vacuum by the tunnel effect. In order to emit electrons, a strong electric field of the order of 10 7 V / cm must be applied to the surface. In order to realize such a strong electric field, a metal needle having a sharp tip is usually used. When a negative voltage is applied to the needle, the electric field concentrates at the sharp tip and the required strong electric field is obtained. A Spindt-type emitter is produced by applying a semiconductor processing technique such as etching the needle. Carbon nanotube emitters are manufactured by kneading and coating CNT elements in resin, etc. (1) Sharp tip and large aspect ratio, (2) Chemically stable, (3) Mechanically tough (4) It has excellent physicochemical properties as a field emission emitter material, such as (4) no diffusion of atoms and excellent stability at high temperatures, and (5) conductivity. .
特開2001−35424号公報に示されているスピント型電子放出素子や特開2001−236879号公報に示されているCNT(カーボンナノチューブ)型電子放出素子も製造方法が複雑であった。すなわち、スピント型電極は基板にAl2O3などの金属を用い、高度なエッチング技術を用いて、先鋭な曲率を有しなければならず、複雑で、高精度の製造技術が必要であった。また、カーボンナノチューブ型の電子放出素子では、カーボンナノチューブを成長させるか、あるいは、成長したカーボンナノチューブをペースト状に塗付し、先鋭な曲率を有するカーボンナノチューブの先端から、電子を放出させていた。しかしながら、カーボンナノチューブを基板上で均一に成長させることが難しく、製造装置も複雑であった。また、カーボンナノチューブをペースト状に塗付する方式では、製造工程は簡単であるが、電子放出位置がばらつくとともに、均一な電子放出電流が得られず、電子放出効率も悪かった。 The spint type electron-emitting device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-35424 and the CNT (carbon nanotube) type electron-emitting device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-236879 also have complicated manufacturing methods. That is, the Spindt-type electrode must have a sharp curvature using a metal such as Al 2 O 3 as a substrate and an advanced etching technique, and a complicated and highly accurate manufacturing technique is required. . In the carbon nanotube type electron-emitting device, carbon nanotubes are grown, or the grown carbon nanotubes are applied in a paste form, and electrons are emitted from the tips of the carbon nanotubes having a sharp curvature. However, it was difficult to grow carbon nanotubes uniformly on the substrate, and the manufacturing apparatus was complicated. In addition, the method of applying carbon nanotubes in a paste form is simple, but the electron emission position varies, a uniform electron emission current cannot be obtained, and the electron emission efficiency is poor.
これらの電子放出素子は、何れも平面的に形成しているため、有効に3次元空間を活用しているとはいえず、投入電力に対する電子放出の効率が悪かった。 Since these electron-emitting devices are all formed in a plane, it cannot be said that the three-dimensional space is effectively utilized, and the efficiency of electron emission with respect to the input power is poor.
上記に記載した課題を鋭意検討した結果、われわれは、常温でナノ粒子を含む溶液を塗布し、乾燥する簡単な工程で、自己組織化作用により電子放出素子を作成し、検討を行なったところ、新しい電子放出原理で電子が放出していることを見出した。その結果、高温で焼成する必要がなく、低消費電力で、大面積のフィールドエミッションディスプレイ(FED)等のディスプレイや、電子線照射装置、光源、電子部品製造装置、電子回路部品のような電子線源として適用できる電子放出素子を提供することにある。 As a result of diligently examining the problems described above, we created an electron-emitting device by self-organizing action in a simple process of applying a solution containing nanoparticles at room temperature and drying it. We found that electrons were emitted by a new electron emission principle. As a result, there is no need to bake at high temperatures, low power consumption, large area display such as field emission display (FED), electron beam irradiation device, light source, electronic component manufacturing device, electron beam such as electronic circuit components An object of the present invention is to provide an electron-emitting device that can be used as a source.
本発明の電子放出素子は、上記課題を解決するために、第一の導電性部材と、第二の導電性部材が互いに向かい合うように形成され、該導電性部材間に電圧を印加することにより、電子を放出する電子放出素子であって、第一及び第二の導電性部材間の3次元空間に絶縁性部材と絶縁皮膜ナノ粒子を略均一に有し、かつ前記絶縁皮膜ナノ粒子は絶縁性部材に略均一に形成されていることを特徴としている。後述する実施例では、1種類の絶縁性部材を用いているが、数種類の絶縁性部材を用いた場合であっても、略均一の範疇に含まれる。ナノ粒子の場合も同様である。 In order to solve the above-described problems, the electron-emitting device of the present invention is formed such that the first conductive member and the second conductive member face each other, and a voltage is applied between the conductive members. An electron-emitting device that emits electrons, having an insulating member and insulating coating nanoparticles substantially uniformly in a three-dimensional space between the first and second conductive members, and the insulating coating nanoparticles being insulated It is characterized by being formed substantially uniformly on the sex member. In the examples described later, one type of insulating member is used, but even when several types of insulating members are used, they are included in a substantially uniform category. The same applies to nanoparticles.
上記構成によると、電極基板と薄膜電極との間には、絶縁性部材と絶縁皮膜ナノ粒子が含まれる電子加速層が設けられている。ナノ粒子の周囲に、薄膜の絶縁部材を被覆することで、ナノ粒子の酸化生成反応をより起こし難くした状態にでき、大気圧状態での素子の使用を可能にする。また、絶縁性部材の周囲に絶縁皮膜ナノ粒子を自己組織化作用により点在させることが可能となり電子放出素子の効率を向上させることができる。 According to the above configuration, the electron acceleration layer including the insulating member and the insulating film nanoparticles is provided between the electrode substrate and the thin film electrode. By coating a thin film insulating member around the nanoparticles, it is possible to make the oxidation generation reaction of the nanoparticles less likely to occur, and it is possible to use the device in an atmospheric pressure state. In addition, the insulating coating nanoparticles can be scattered around the insulating member by the self-organizing action, and the efficiency of the electron-emitting device can be improved.
この電子加速層は、絶縁性部材と抗酸化力が高いナノ粒子とが緻密に集合した薄膜の層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。 This electron acceleration layer is a thin film layer in which an insulating member and nanoparticles having high antioxidation power are densely assembled, and has semiconductivity. When a voltage is applied to the semiconductive electron acceleration layer, a current flows in the electron acceleration layer, and a part thereof is emitted as ballistic electrons by the strong electric field formed by the applied voltage.
また、ナノ粒子として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難いため、大気圧中でも安定して動作させることができる。 In addition, since a conductor having a high anti-oxidation power is used as the nanoparticle, it is difficult to cause element deterioration due to oxidation by oxygen in the atmosphere, and thus it can be stably operated even at atmospheric pressure.
また、上記絶縁性部材および絶縁皮膜ナノ粒子は、電子加速層における抵抗値および電子の生成量を調整することができるため、電子加速層を流れる電流値と電子放出量の制御を可能とする。さらに、上記絶縁性部材は、電子加速層を流れる電流により生じるジュール熱を効率良く逃がす役割も有することができるため、電子放出素子が熱で破壊されるのを防ぐことができる。 In addition, since the insulating member and the insulating coating nanoparticles can adjust the resistance value and the amount of electrons generated in the electron acceleration layer, the value of the current flowing through the electron acceleration layer and the amount of electron emission can be controlled. Furthermore, since the insulating member can also have a role of efficiently releasing Joule heat generated by the current flowing through the electron acceleration layer, the electron-emitting device can be prevented from being destroyed by heat.
本発明の電子放出素子は、上記構成を有するため、真空中だけでなく大気圧中で動作させても放電を伴わないためオゾンやNOx等の有害物質をほぼ生成せず、電子放出素子が酸化劣化しない。そのため、本発明の電子放出素子は、寿命が長く大気中でも長時間連続動作をさせることができる。よって、本発明により、真空中だけでなく大気圧中でも安定して電子を放出でき、オゾンやNOx等の有害物質の発生を抑制した電子放出素子を提供することができる。 Since the electron-emitting device of the present invention has the above-described configuration, it does not generate a discharge even when operated not only in a vacuum but also in an atmospheric pressure, and therefore hardly generates harmful substances such as ozone and NOx, and the electron-emitting device is oxidized. Does not deteriorate. Therefore, the electron-emitting device of the present invention has a long life and can be operated continuously for a long time even in the atmosphere. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an electron-emitting device that can stably emit electrons not only in a vacuum but also in an atmospheric pressure and suppress generation of harmful substances such as ozone and NOx.
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、形成されている絶縁皮膜ナノ粒子の一部が、絶縁破壊が起こらないような大きさに、凝集し凝集体を複数形成していることを特徴としている。すなわち、絶縁性部材に絶縁皮膜ナノ粒子が形成されているのが好ましいが、第一の導電性部材と第二の導電性部材に電圧を印加した場合に絶縁破壊が起こらないような大きさに絶縁皮膜ナノ粒子が凝集していてもよい。 In the electron-emitting device of the present invention, in addition to the above-described configuration, a part of the formed insulating coating nanoparticles are aggregated to a size that does not cause dielectric breakdown, and a plurality of aggregates are formed. It is said. That is, it is preferable that the insulating coating nanoparticles are formed on the insulating member, but the size is such that dielectric breakdown does not occur when voltage is applied to the first conductive member and the second conductive member. The insulating coating nanoparticles may be aggregated.
上記構成によると、上記効果に加え、凝集している絶縁皮膜ナノ粒子間では、より多くのエネルギーを持った電子が放出されることもあり、絶縁破壊が起こらない程度の凝集度合いであればよい。 According to the above configuration, in addition to the above effects, electrons having more energy may be emitted between the agglomerated insulating coating nanoparticles, and the degree of aggregation may be such that dielectric breakdown does not occur. .
本発明の電子放出素子では、詳細には下記のような特徴を有している。 The electron-emitting device of the present invention has the following characteristics in detail.
その構成は、上記ナノ粒子を成す導電体は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも1つを含んでいてもよい。このように、上記ナノ粒子を成す導電体が、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも1つを含んでいることで、ナノ粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を、より効果的に防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化をより効果的に図ることができる。 In the configuration, the conductor forming the nanoparticles may include at least one of gold, silver, platinum, palladium, and nickel. As described above, since the conductor that forms the nanoparticles includes at least one of gold, silver, platinum, palladium, and nickel, elements such as oxidation of the nanoparticles by oxygen in the atmosphere are included. Deterioration can be prevented more effectively. Therefore, the lifetime of the electron-emitting device can be extended more effectively.
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記ナノ粒子の平均径は、導電性を制御する必要から、上記絶縁性部材の大きさよりも小さくなければならず、3〜20nmであるのが好ましい。このように、上記ナノ粒子の平均径を、上記絶縁性部材の微粒子径よりも小さく、好ましくは3〜20nmとすることにより、電子加速層内で、ナノ粒子による導電パスが形成されず、電子加速層内での絶縁破壊が起こり難くなる。また原理的には不明確な点が多いが、粒子径が上記範囲内のナノ粒子を用いることで、電子が効率よく生成される。 In the electron-emitting device of the present invention, in addition to the above configuration, the average diameter of the nanoparticles must be smaller than the size of the insulating member because it is necessary to control conductivity, and is 3 to 20 nm. preferable. Thus, by setting the average diameter of the nanoparticles to be smaller than the particle diameter of the insulating member, preferably 3 to 20 nm, a conductive path by the nanoparticles is not formed in the electron acceleration layer, and the electrons Dielectric breakdown is less likely to occur in the acceleration layer. Although there are many unclear points in principle, electrons are efficiently generated by using nanoparticles having a particle diameter in the above range.
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記絶縁性部材は、SiO2、Al2O3、及びTiO2の少なくとも1つを含んでいてもよい。または有機ポリマーを含んでいてもよい。上記絶縁性部材が、SiO2、Al2O3、及びTiO2の少なくとも1つを含んでいる、あるいは、有機ポリマーを含んでいると、これら物質の絶縁性が高いことにより、上記電子加速層の抵抗値を任意の範囲に調整することが可能となる。特に、絶縁性部材として酸化物(SiO2、Al2O3、及びTiO2)を用い、ナノ粒子として抗酸化力が高い導電体を用いる場合には、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化をより一層発生し難くなるため、大気圧中でも安定して動作させる効果をより顕著に発現させることができる。 In the electron-emitting device of the present invention, in addition to the above configuration, the insulating member may include at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2 . Or it may contain an organic polymer. When the insulating member contains at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2 , or contains an organic polymer, the insulating property of these substances is high, and thus the electron acceleration layer It is possible to adjust the resistance value to an arbitrary range. In particular, when an oxide (SiO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2 ) is used as an insulating member, and a conductor having high anti-oxidation power is used as a nanoparticle, device deterioration due to oxidation by oxygen in the atmosphere Therefore, the effect of stably operating even at atmospheric pressure can be more remarkably exhibited.
ここで、上記絶縁性部材は微粒子であってもよく、その平均径が10〜1000nmであるのが好ましく、12〜110nmであるのがより好ましい。この場合、粒子径の分散状態は平均粒径に対してブロードであっても良く、例えば平均粒径50nmの微粒子は、20〜100nmの領域にその粒子径分布を有していても問題ない。上記微粒子である絶縁性部材の平均径を好ましくは10〜1000nm、より好ましくは12〜110nmとすることにより、上記絶縁性部材の大きさよりも小さい上記ナノ粒子の内部から外部へと効率よく熱伝導させて、素子内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができ、電子放出素子が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、上記電子加速層における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。 Here, the insulating member may be fine particles, and the average diameter is preferably 10 to 1000 nm, and more preferably 12 to 110 nm. In this case, the dispersion state of the particle diameter may be broad with respect to the average particle diameter. For example, fine particles having an average particle diameter of 50 nm may have a particle diameter distribution in the region of 20 to 100 nm. By making the average diameter of the insulating member, which is the fine particle, preferably 10 to 1000 nm, more preferably 12 to 110 nm, heat conduction can be efficiently conducted from the inside of the nanoparticles smaller than the size of the insulating member to the outside. Thus, Joule heat generated when current flows in the device can be efficiently released, and the electron-emitting device can be prevented from being destroyed by heat. Furthermore, the resistance value in the electron acceleration layer can be easily adjusted.
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記電子加速層における上記絶縁性部材の割合が、重量比で80〜95%であるのが好ましい。上記電子加速層における上記絶縁性部材の割合が、重量比で80〜95%であると、上記電子加速層内の抵抗値を適度に上げることができ、大量の電子が一度に流れることで電子放出素子が破壊されるのを防ぐことができる。 In the electron-emitting device of the present invention, in addition to the above configuration, the ratio of the insulating member in the electron acceleration layer is preferably 80 to 95% by weight. When the ratio of the insulating member in the electron acceleration layer is 80 to 95% by weight, the resistance value in the electron acceleration layer can be appropriately increased, and a large amount of electrons flow at a time. The emission element can be prevented from being destroyed.
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記電子加速層の層厚は、12〜6000nmであるのが好ましく、300〜6000nmであるのがより好ましい。上記電子加速層の層厚を、好ましくは12〜6000nm、より好ましくは300〜6000nmとすることにより、電子加速層の層厚を均一化すること、また層厚方向における電子加速層の抵抗調整が可能となる。この結果、電子放出素子表面の全面から一様に電子を放出させることが可能となり、かつ素子外へ効率よく電子を放出させることができる。 In the electron-emitting device of the present invention, in addition to the above configuration, the thickness of the electron acceleration layer is preferably 12 to 6000 nm, and more preferably 300 to 6000 nm. By making the layer thickness of the electron acceleration layer preferably 12 to 6000 nm, more preferably 300 to 6000 nm, the electron acceleration layer can be made uniform, and the resistance of the electron acceleration layer can be adjusted in the layer thickness direction. It becomes possible. As a result, electrons can be uniformly emitted from the entire surface of the electron-emitting device, and electrons can be efficiently emitted outside the device.
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記薄膜電極は、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも1つを含んでいてもよい。上記薄膜電極に、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも1つが含まれることによって、これら物質の仕事関数の低さから、電子加速層で発生させた電子を効率よくトンネルさせ、電子放出素子外に高エネルギーの電子をより多く放出させることができる。 In the electron-emitting device of the present invention, in addition to the above configuration, the thin film electrode may include at least one of gold, silver, carbon, tungsten, titanium, aluminum, and palladium. By containing at least one of gold, silver, carbon, tungsten, titanium, aluminum, and palladium in the thin film electrode, electrons generated in the electron acceleration layer are efficiently tunneled due to the low work function of these materials. Thus, more high-energy electrons can be emitted outside the electron-emitting device.
本発明の電子放出素子の絶縁皮膜ナノ粒子の絶縁被膜は、上記構成に加え、電子をトンネルさせることが可能な厚みであることを特徴としている。電子がトンネル可能な厚みでなければ、電子を導体から外部に放出させることはできず、電子放出素子としての基本的機能が実現できないためである。 In addition to the above structure, the insulating film of the insulating film nanoparticles of the electron-emitting device of the present invention is characterized in that it has a thickness capable of tunneling electrons. This is because electrons cannot be emitted from the conductor to the outside unless the thickness allows electrons to tunnel, and the basic function as an electron-emitting device cannot be realized.
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、絶縁皮膜ナノ粒子の絶縁被膜は、アルカン、アルコール、脂肪酸、アルカンチオール、炭化水素系シラン化合物、有機系界面活性剤の少なくとも1つを含んでいてもよい。このような有機材料で、絶縁皮膜されていることで、素子作成時のナノ粒子の分散液中での分散性向上に貢献するため、ナノ粒子の凝集体が元と成る電流の異常パス形成を生じ難くする他、絶縁性部材の周囲に存在するナノ粒子自身の酸化に伴う粒子の組成変化を生じないため、電子放出特性に影響を与えることがない。よって、電子放出素子の長寿命化をより効果的に図ることができる。 In the electron-emitting device of the present invention, in addition to the above configuration, the insulating coating of the insulating coating nanoparticles includes at least one of alkane, alcohol, fatty acid, alkanethiol, hydrocarbon-based silane compound, and organic surfactant. Also good. An insulating film made of such an organic material contributes to improving the dispersibility of the nanoparticles in the dispersion during device creation. Therefore, abnormal path formation of current based on the aggregates of nanoparticles is formed. In addition to making it difficult to occur, the composition of the particles due to oxidation of the nanoparticles present around the insulating member itself does not change, so that the electron emission characteristics are not affected. Therefore, the lifetime of the electron-emitting device can be extended more effectively.
本発明の電子放出素子の製造方法によれば、下記に示す特徴及び効果を有している。 The method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention has the following features and effects.
すなわち、第一の導電性部材上に絶縁体部材と絶縁皮膜ナノ粒子を形成する工程と、絶縁皮膜ナノ粒子を絶縁性部材上に点在させる工程と、第二の導電性部材を形成する工程と、を有することを特徴としている。このような製造方法にすることにより、自己組織的に絶縁性部材上に形成することができ、高温の焼成工程を経ることなく、最小の使用エネルギーで効率よく電子放出素子を作成できる。 That is, a step of forming an insulator member and insulating coating nanoparticles on the first conductive member, a step of dispersing insulating coating nanoparticles on the insulating member, and a step of forming the second conductive member It is characterized by having. By using such a manufacturing method, it can be formed on an insulating member in a self-organizing manner, and an electron-emitting device can be efficiently produced with a minimum use energy without going through a high-temperature firing step.
また、前記分散溶液中の粒子を分散させる工程は、溶媒中の粒子同士の自己組織化作用により、ナノ粒子が略均一な間隔に配置することを特徴としている。このような製造方法にすることにより、実施例におけるSEM写真からも明らかなように、3次元構造状にナノ粒子を点在させることができ、その間隔は10〜30nm程度であり、電子放出効率を向上させるのに最適な間隔に自己組織的に形成される。これは、室温で放置あるいは溶媒の沸点以下の温度で加熱後に放置するという、いたって簡単な方法で作製できるため、製造するエネルギーをほとんど必要としない。 The step of dispersing the particles in the dispersion solution is characterized in that the nanoparticles are arranged at substantially uniform intervals by the self-organizing action of the particles in the solvent. By making such a manufacturing method, as is clear from the SEM photographs in the examples, nanoparticles can be scattered in a three-dimensional structure, and the interval is about 10 to 30 nm, and the electron emission efficiency Self-organized at optimum intervals to improve Since this can be produced by a simple method of leaving at room temperature or after heating at a temperature lower than the boiling point of the solvent, little energy is required for production.
また、絶縁皮膜ナノ粒子を絶縁体部材に形成させる工程は、絶縁体部材と絶縁皮膜ナノ粒子を溶媒中で混合して溶液とし、前記分散溶液中の粒子を分散させる工程を含み、室温で放置するあるいは溶媒の沸点以下の温度で加熱後に放置することで、自己組織化を有効に発現させることができる。 The step of forming the insulating film nanoparticles on the insulating member includes a step of mixing the insulating member and the insulating film nanoparticles in a solvent to form a solution, and dispersing the particles in the dispersion solution, and allowing the particles to stand at room temperature. Alternatively, it can be allowed to stand after heating at a temperature lower than the boiling point of the solvent, whereby self-assembly can be effectively expressed.
以上説明したように、本発明の電子放出素子によれば、電極間に電子加速層を塗布・常温で乾燥させるだけで簡単に電子放出素子が作成でき、また電子放出効率も格段に高く、大面積化の容易なデバイスを提供できる。 As described above, according to the electron-emitting device of the present invention, an electron-emitting device can be easily prepared by simply applying an electron acceleration layer between electrodes and drying at room temperature, and the electron-emitting efficiency is remarkably high. It is possible to provide a device with an easy area.
本発明の電子放出素子は、上記のように、第一の導電性部材と第二の導電性部材との間には、絶縁性部材と絶縁皮膜ナノ粒子を有し、前記絶縁皮膜ナノ粒子は絶縁性部材に形成されている構成となっている。この絶縁皮膜ナノ粒子は、自己組織化作用により絶縁性部材上にほぼ均一に形成されている。したがって、第一の導電性部材と第二の導電性部材との間の3次元空間にほぼ均一に形成されている構成になっており、これは薄膜の層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により電子がナノ金属粒子内から放出される。また、金属微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難いため、大気圧中でも安定して動作させることができる。 As described above, the electron-emitting device of the present invention has an insulating member and insulating coating nanoparticles between the first conductive member and the second conductive member, and the insulating coating nanoparticles are It is the structure formed in the insulating member. The insulating coating nanoparticles are formed almost uniformly on the insulating member by a self-organizing action. Accordingly, the three-dimensional space between the first conductive member and the second conductive member is substantially uniformly formed. This is a thin film layer and has semiconductivity. When a voltage is applied to the semiconductive electron acceleration layer, a current flows in the electron acceleration layer, and a part of the electron is emitted from the nano metal particles by a strong electric field formed by the applied voltage. In addition, since a conductor having high anti-oxidation power is used as the metal fine particles, it is difficult to cause element degradation due to oxidation by oxygen in the atmosphere, and therefore it can be stably operated even under atmospheric pressure.
また、上記絶縁性部材および絶縁皮膜ナノ微粒子は、電子加速層における抵抗値および電子の生成量を調整することができるため、電子加速層を流れる電流値と電子放出量の制御を可能とする。さらに、上記絶縁性部材は、電子加速層を流れる電流により生じるジュール熱を効率良く逃がす役割も有することができるため、電子放出素子が熱で破壊されるのを防ぐことができる。 In addition, since the insulating member and the insulating coating nanoparticle can adjust the resistance value and the amount of electrons generated in the electron acceleration layer, it is possible to control the value of the current flowing through the electron acceleration layer and the amount of electron emission. Furthermore, since the insulating member can also have a role of efficiently releasing Joule heat generated by the current flowing through the electron acceleration layer, the electron-emitting device can be prevented from being destroyed by heat.
本発明の電子放出素子は、上記構成を有するため、真空中だけでなく大気圧中で動作させても放電を伴わないためオゾンやNOx等の有害物質をほぼ生成せず、電子放出素子が酸化劣化しない。そのため、本発明の電子放出素子は、寿命が長く大気中でも長時間連続動作をさせることができる。よって、本発明により、真空中だけでなく大気圧中でも安定して電子を放出でき、オゾンやNOx等の有害物質の発生を抑制した電子放出素子を提供することができる。 Since the electron-emitting device of the present invention has the above-described configuration, it does not generate a discharge even when operated not only in a vacuum but also in an atmospheric pressure, and therefore hardly generates harmful substances such as ozone and NOx, and the electron-emitting device is oxidized. Does not deteriorate. Therefore, the electron-emitting device of the present invention has a long life and can be operated continuously for a long time even in the atmosphere. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an electron-emitting device that can stably emit electrons not only in a vacuum but also in an atmospheric pressure and suppress generation of harmful substances such as ozone and NOx.
以下、本発明の電子放出素子の実施形態について、図1〜10を参照しながら具体的に説明する。なお、以下に記述する実施の形態および実施例は本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれらよって限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the electron-emitting device of the present invention will be specifically described with reference to FIGS. Note that the embodiments and examples described below are merely specific examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto.
〔実施の形態〕
図1は、本発明の電子放出素子の一実施形態の構成を示す模式図である。図1に示すように、本実施形態の電子放出素子1は、下部電極となる電極基板(第一の導電性部材)2と、薄膜電極(第二の導電性部材)3と、その間に挟まれて存在する電子加速層4とからなる。また、基板2と薄膜電極3とは電源7に繋がっており、互いに対向して配置された基板2と薄膜電極3との間に電圧を印加できるようになっている。電子放出素子1は、基板2と薄膜電極3との間に電圧を印加することで、基板2と薄膜電極3との間、つまり、電子加速層4に電流を流し、その一部を印加電圧の形成する強電界により電子を、薄膜電極3を透過あるいは薄膜電極3の隙間から放出させる。なお、電子放出素子1と電源7とから電子放出装置が成る。
Embodiment
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment of an electron-emitting device of the present invention. As shown in FIG. 1, an electron-emitting device 1 according to the present embodiment is sandwiched between an electrode substrate (first conductive member) 2 and a thin film electrode (second conductive member) 3 which are lower electrodes. And an existing electron acceleration layer 4. In addition, the substrate 2 and the thin film electrode 3 are connected to a power source 7 so that a voltage can be applied between the substrate 2 and the thin film electrode 3 arranged to face each other. The electron-emitting device 1 applies a voltage between the substrate 2 and the thin film electrode 3, thereby causing a current to flow between the substrate 2 and the thin film electrode 3, that is, the electron acceleration layer 4. Electrons are transmitted through the thin film electrode 3 or emitted from the gaps of the thin film electrode 3 by the strong electric field formed by. The electron-emitting device is composed of the electron-emitting device 1 and the power source 7.
下部電極となる基板2は、電子放出素子の支持体の役割を担う。そのため、ある程度の強度を有し、直に接する物質との接着性が良好で、適度な導電性を有するものであれば、特に制限なく用いることができる。例えばSUSやTi、Cu等の金属基板、SiやGe、GaAs等の半導体基板、ガラス基板のような絶縁体基板、プラスティック基板等が挙げられる。例えばガラス基板のような絶縁体基板を用いるのであれば、その電子加速層4との界面に金属などの導電性物質を電極として付着させることによって、下部電極となる基板2として用いることができる。上記導電性物質としては、導電性に優れた貴金属系材料を、マグネトロンスパッタ等を用いて薄膜形成できれば、その構成材料は特に問わない。また、酸化物導電材料として、透明電極に広く利用されているITO薄膜も有用である。また、強靭な薄膜を形成できるという点で、例えば、ガラス基板表面にTiを200nm成膜し、さらに重ねてCuを1000nm成膜した金属薄膜を用いてもよいが、これら材料および数値に限定されることはない。 The substrate 2 serving as the lower electrode serves as a support for the electron-emitting device. Therefore, any material can be used without particular limitation as long as it has a certain degree of strength, has good adhesion to a directly contacting substance, and has appropriate conductivity. Examples thereof include metal substrates such as SUS, Ti, and Cu, semiconductor substrates such as Si, Ge, and GaAs, insulator substrates such as glass substrates, and plastic substrates. For example, if an insulator substrate such as a glass substrate is used, a conductive material such as a metal is attached to the interface with the electron acceleration layer 4 as an electrode, so that the substrate 2 can be used as a lower electrode. The conductive material is not particularly limited as long as a noble metal material excellent in conductivity can be formed into a thin film using magnetron sputtering or the like. An ITO thin film widely used for transparent electrodes is also useful as an oxide conductive material. In addition, for example, a metal thin film in which a Ti film is formed to 200 nm on a glass substrate surface and a Cu film is further formed to a 1000 nm thickness may be used in that a tough thin film can be formed. Never happen.
薄膜電極3は、電子加速層4内に電圧を印加させるものである。そのため、電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層4内で加速され高エネルギーとなった電子をなるべくエネルギーロス無く透過させて放出させるという観点から、仕事関数が低くかつ薄膜を形成することが可能な材料であれば、より高い効果が期待できる。このような材料として、例えば、仕事関数が4〜5eVに該当する金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、パラジウムなどが挙げられる。中でも大気圧中での動作を想定した場合、酸化物および硫化物形成反応のない金が、最良な材料となる。また、酸化物形成反応の比較的小さい銀、パラジウム、タングステンなども問題なく実使用に耐える材料である。また薄膜電極3の膜厚は、電子放出素子1から外部へ電子を効率良く放出させる条件として重要であり、10〜55nmの範囲とすることが好ましい。薄膜電極3を平面電極として機能させるための最低膜厚は10nmであり、これ未満の膜厚では、電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子1から外部へ電子を放出させるための最大膜厚は100nm程度であり、これを超える膜厚では薄膜電極3で電子の吸収あるいは反射による電子加速層4への再捕獲が多く発生することになり、低消費電力で素子駆動ができなくなる。 The thin film electrode 3 applies a voltage in the electron acceleration layer 4. Therefore, any material that can be applied with voltage can be used without particular limitation. However, from the standpoint that electrons accelerated and become high energy in the electron acceleration layer 4 are transmitted with as little energy loss as possible and emitted, a material having a low work function and capable of forming a thin film is higher. The effect can be expected. Examples of such a material include gold, silver, carbon, tungsten, titanium, aluminum, palladium, and the like whose work function corresponds to 4 to 5 eV. In particular, assuming operation at atmospheric pressure, gold without oxide and sulfide formation reaction is the best material. In addition, silver, palladium, tungsten, and the like, which have a relatively small oxide formation reaction, are materials that can withstand actual use without problems. The film thickness of the thin-film electrode 3 is important as a condition for efficiently emitting electrons from the electron-emitting device 1 to the outside, and is preferably in the range of 10 to 55 nm. The minimum film thickness for causing the thin film electrode 3 to function as a planar electrode is 10 nm. If the film thickness is less than this, electrical conduction cannot be ensured. On the other hand, the maximum film thickness for emitting electrons from the electron-emitting device 1 to the outside is about 100 nm. If the film thickness exceeds this, the thin film electrode 3 often recaptures the electron acceleration layer 4 due to absorption or reflection of electrons. As a result, the element cannot be driven with low power consumption.
電子加速層4は、導電体からなり抗酸化力が高い金属微粒子と、上記金属微粒子の大きさより大きい絶縁性部材とを含んでいればよい。また、本実施形態では、上記絶縁性部材は、金属微粒子6の平均径より大きい平均径の微粒子である、絶縁体の微粒子5として説明する。しかし電子加速層4の構成は、上記したものに限定されず、例えば、上記絶縁性部材が、基板2に層形成されており、かつ、層の厚み方向に貫通する複数の開口部を有しており、そして、この開口部には、金属微粒子が収容されていている、というような形態であってもよい。 The electron acceleration layer 4 should just contain the metal microparticles which consist of conductors and have high antioxidant power, and the insulating member larger than the said metal microparticle size. In the present embodiment, the insulating member will be described as insulating fine particles 5 that are fine particles having an average diameter larger than the average diameter of the metal fine particles 6. However, the configuration of the electron acceleration layer 4 is not limited to the one described above. For example, the insulating member is formed on the substrate 2 and has a plurality of openings that penetrate in the thickness direction of the layer. The opening may contain metal fine particles.
本実施形態では、電子加速層4には、絶縁体の微粒子5と、金属微粒子6とを含んでいる。よって、以下では、電子加速層4を微粒子層4と記載する。 In this embodiment, the electron acceleration layer 4 includes insulating fine particles 5 and metal fine particles 6. Therefore, hereinafter, the electron acceleration layer 4 is referred to as a fine particle layer 4.
ここで、金属微粒子6の金属種としては、電子を生成するという動作原理の上ではどのような金属種でも用いることができる。ただし、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、抗酸化力が高い金属である必要があり、貴金属が好ましく、例えば、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルといった材料が挙げられる。このような金属微粒子6は、公知の微粒子製造技術であるスパッタ法や噴霧加熱法を用いて作成可能であり、応用ナノ研究所が製造販売する銀ナノ粒子等の市販の金属微粒子粉体も利用可能である。電子の生成の原理については後段で記載する。 Here, as the metal species of the metal fine particles 6, any metal species can be used on the operation principle of generating electrons. However, for the purpose of avoiding oxidative degradation when operated at atmospheric pressure, it is necessary to be a metal having high antioxidation power, and a noble metal is preferable, and examples thereof include materials such as gold, silver, platinum, palladium, and nickel. Such metal fine particles 6 can be prepared by using known fine particle production techniques such as sputtering and spray heating, and also use commercially available metal fine particle powders such as silver nanoparticles produced and sold by Applied Nano Laboratory. Is possible. The principle of electron generation will be described later.
ここで、金属微粒子6の平均径は、導電性を制御する必要から、以下で説明する絶縁体の微粒子5の大きさよりも小さくなければならず、3〜10nmであるのがより好ましい。このように、金属微粒子6の平均径を、絶縁体の微粒子5の粒子径よりも小さく、好ましくは3〜20nmとすることにより、微粒子層4内で、金属微粒子6による導電パスが形成されず、微粒子層4内での絶縁破壊が起こり難く、電子が効率よく生成される。 Here, the average diameter of the metal fine particles 6 needs to be smaller than the size of the fine particles 5 of the insulator described below because it is necessary to control the conductivity, and is more preferably 3 to 10 nm. Thus, by setting the average diameter of the metal fine particles 6 to be smaller than the particle diameter of the insulating fine particles 5, preferably 3 to 20 nm, no conductive path is formed by the metal fine particles 6 in the fine particle layer 4. Insulation breakdown in the fine particle layer 4 hardly occurs and electrons are generated efficiently.
なお、金属微粒子6の周囲には、絶縁性部材が存在していてもよく、金属微粒子6の表面に付着する付着物質であってもよく、付着物質は、金属微粒子6の表面を被膜する絶縁被膜であってもよい。この場合、数nm程度の絶縁性部材が金属微粒子6を被膜する絶縁被膜であり、絶縁被膜を金属微粒子6の酸化被膜によって賄った場合、大気中での酸化劣化により酸化皮膜の厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまう恐れがあるため、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、有機材料による絶縁被膜が好ましく、例えば、アルカン、アルコール、脂肪酸、アルカンチオール、炭化水素系シラン化合物、有機系界面活性剤といった材料が挙げられる。この絶縁被膜の厚さは、電子をトンネル効果によって取りだすことができることからできるだけ薄い方が有利であることが言える。本実施の形態では厚さ1nm程度のものを使用している。 An insulating member may be present around the metal fine particle 6 or may be an adhering substance that adheres to the surface of the metal fine particle 6. The adhering substance is an insulating material that coats the surface of the metal fine particle 6. It may be a film. In this case, when the insulating member having a thickness of several nanometers is an insulating film for coating the metal fine particles 6, and the insulating film is covered by the oxide film of the metal fine particles 6, the thickness of the oxide film is desired due to oxidative degradation in the air In order to avoid oxidative degradation when operated at atmospheric pressure, an insulating film made of an organic material is preferable. For example, alkane, alcohol, fatty acid, alkanethiol, hydrocarbon type Examples include materials such as silane compounds and organic surfactants. It can be said that the thickness of the insulating coating is advantageously as thin as possible because electrons can be taken out by the tunnel effect. In this embodiment, a thickness of about 1 nm is used.
絶縁体の微粒子5に関しては、その材料は絶縁性を持つものであれば特に制限なく用いることができる。ただし、後述の実験結果の通り微粒子層4を構成する微粒子全体における絶縁体の微粒子5の重量割合は80〜95%、またその大きさは、金属微粒子6に対して優位な放熱効果を得るため、金属微粒子6の直径よりも大きいことが好ましく、絶縁体の微粒子5の直径(平均径)は10〜1000nmであることが好ましく、12〜110nmがより好ましい。従って、絶縁体の微粒子5の材料はSiO2、Al2O3、TiO2といったものが実用的となる。ただし、表面処理が施された小粒径シリカ粒子を用いると、それよりも粒子径の大きな球状シリカ粒子を用いるときと比べて、溶媒中に占めるシリカ粒子の表面積が増加し、溶液粘度が上昇するため、微粒子層4の膜厚が若干増加する傾向にある。また、絶縁体の微粒子5の材料には、有機ポリマーから成る微粒子を用いてもよく、例えば、JSR株式会社の製造販売するスチレン/ジビニルベンゼンから成る高架橋微粒子(SX8743)、または日本ペイント株式会社の製造販売するスチレン・アクリル微粒子のファインスフェアシリーズが利用可能である。ここで、絶縁体の微粒子5は、2種類以上の異なる粒子を用いてもよく、また、粒径のピークが異なる粒子を用いてもよく、あるいは、単一粒子で粒径がブロードな分布のものを用いてもよい。 The insulating fine particles 5 can be used without particular limitation as long as the material has insulating properties. However, the weight ratio of the insulating fine particles 5 to the entire fine particles constituting the fine particle layer 4 is 80 to 95% as shown in the experimental results described later, and the size is to obtain a heat radiation effect superior to the metal fine particles 6. The diameter of the fine metal particles 5 is preferably 10 to 1000 nm, more preferably 12 to 110 nm. Therefore, the material of the insulating fine particles 5 is practically SiO 2 , Al 2 O 3 , or TiO 2 . However, using small-sized silica particles with surface treatment increases the surface area of the silica particles in the solvent and increases the solution viscosity compared to using spherical silica particles with a larger particle diameter. Therefore, the film thickness of the fine particle layer 4 tends to increase slightly. The material of the insulating fine particles 5 may be fine particles made of an organic polymer. For example, highly crosslinked fine particles (SX8743) made of styrene / divinylbenzene manufactured and sold by JSR Corporation, or made by Nippon Paint Co., Ltd. The fine sphere series of styrene / acrylic fine particles manufactured and sold can be used. Here, two or more different types of particles may be used as the insulating fine particles 5, particles having different particle size peaks may be used, or a single particle having a broad particle size distribution. A thing may be used.
また絶縁体の成す役割は微粒子形状に依存しないため、上記絶縁性部材に有機ポリマーから成るシート基板や、何らかの方法で絶縁性部材を塗布して形成した絶縁体層を用いてもよい。但しこのシート状基板や絶縁体層には厚さ方向を貫通する複数の微細孔を有する必要がある。このような用件を満たすシート状基板材料として、例えば、ワットマンジャパン株式会社の製造販売するメンブレンフィルターニュークリポア(ポリカーボネート製)が有用である。 Further, since the role of the insulator does not depend on the shape of the fine particles, a sheet substrate made of an organic polymer may be used for the insulating member, or an insulating layer formed by applying an insulating member by any method. However, the sheet-like substrate or the insulator layer needs to have a plurality of fine holes penetrating in the thickness direction. As a sheet-like substrate material satisfying such requirements, for example, a membrane filter new clipper (made of polycarbonate) manufactured and sold by Whatman Japan Co., Ltd. is useful.
微粒子層4は薄いほど強電界がかかるため低電圧印加で電子を加速させることができるが、電子加速層の層厚を均一化できること、また層厚方向における電子加速層の抵抗調整が可能となることなどから、微粒子層4の層厚は、100〜1000nm、より好ましくは300〜6000nmであるとよい。100nm未満では、電極間の接触あるいは高電圧印加による絶縁破壊が生じることがあり、6000nm以上では、電子放出に必要な高電界を印加することができなくなり、高電界を印加すれば消費電力が高くなる。 The thinner the fine particle layer 4 is, the stronger the electric field is applied, so that electrons can be accelerated by applying a low voltage. However, the layer thickness of the electron acceleration layer can be made uniform and the resistance of the electron acceleration layer can be adjusted in the layer thickness direction. Therefore, the layer thickness of the fine particle layer 4 is preferably 100 to 1000 nm, more preferably 300 to 6000 nm. If the thickness is less than 100 nm, contact between the electrodes or dielectric breakdown due to application of a high voltage may occur. If the thickness is 6000 nm or more, a high electric field necessary for electron emission cannot be applied. Become.
次に、電子放出の原理について説明する。図2は、電子放出素子1の微粒子層4付近の断面を拡大した模式図である。図2に示すように、微粒子層4は、その大部分を絶縁体微粒子5で構成され、その隙間に金属微粒子6が形成されている。図2における絶縁体の微粒子5および金属微粒子6の比率は、絶縁体の微粒子5および金属微粒子6の総重量に対する絶縁体の微粒子5の重量比率が80%〜95%に相当する状態である。 Next, the principle of electron emission will be described. FIG. 2 is an enlarged schematic view of the cross section in the vicinity of the fine particle layer 4 of the electron-emitting device 1. As shown in FIG. 2, most of the fine particle layer 4 is composed of insulating fine particles 5, and metal fine particles 6 are formed in the gaps. The ratio of the insulating fine particles 5 to the metal fine particles 6 in FIG. 2 is such that the weight ratio of the insulating fine particles 5 to the total weight of the insulating fine particles 5 and the metal fine particles 6 corresponds to 80% to 95%.
微粒子層4は絶縁体の微粒子5と少数の金属微粒子6とで構成されるため、半導電性を有する。よって微粒子層4へ電圧を印加すると、極弱い電流が流れる。微粒子層4の電圧電流特性は所謂バリスタ特性を示し、印加電圧の上昇に伴い急激に電流値を増加させる。この電流の一部は、印加電圧が形成する微粒子層4内の強電界により電子が金属粒子より放出され、薄膜電極3を透過あるいはその隙間を通過して電子放出素子1の外部へ放出される。 Since the fine particle layer 4 is composed of the insulating fine particles 5 and a small number of metal fine particles 6, it has semiconductivity. Therefore, when a voltage is applied to the fine particle layer 4, a very weak current flows. The voltage-current characteristics of the fine particle layer 4 show so-called varistor characteristics, and the current value is rapidly increased as the applied voltage increases. Part of this current is emitted from the metal particles by a strong electric field in the fine particle layer 4 formed by the applied voltage, and is transmitted through the thin film electrode 3 or through the gap to be emitted to the outside of the electron-emitting device 1. .
次に、電子放出素子1の、生成方法の一実施形態について説明する。まず、基板2上に、絶縁体の微粒子5と、金属微粒子6とを分散させた分散溶液をスピンコート法を用いて塗布することで、微粒子層4を形成する。ここで、分散溶液に用いる溶媒としては、絶縁体の微粒子5と、金属微粒子6とを分散でき、かつ塗布後に乾燥できれば、特に制限なく用いることができ、例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いることができる。 Next, an embodiment of a method for generating the electron-emitting device 1 will be described. First, a fine particle layer 4 is formed by applying a dispersion solution in which insulating fine particles 5 and metal fine particles 6 are dispersed on a substrate 2 by using a spin coating method. Here, the solvent used in the dispersion solution can be used without particular limitation as long as the insulating fine particles 5 and the metal fine particles 6 can be dispersed and dried after coating. For example, toluene, benzene, xylene, hexane, Tetradecane or the like can be used.
特に、絶縁皮膜ナノ粒子を分散するためには、無極性溶媒(比誘電率の小さな溶媒。ヘキサンなど)の方が好ましい。ただし、水などは極性溶媒の代表格であるが、コストメリットがあるので、使用することができる。無極性溶媒を使用する理由としては、溶媒中で、ナノ粒子がもつ電荷等で引き合わないようにするためには、ナノ粒子がもつ電荷を遮蔽するような状態の方がよいからである。また、溶媒の粘度もナノ粒子の動きやすさに影響してくるので、分散性に影響する。特に、比誘電率が5以下の溶媒(ヘキサン 1.9、トルエン 2.3、キシレン 2.3)が好ましい。 In particular, in order to disperse the insulating coating nanoparticles, a nonpolar solvent (a solvent having a small relative dielectric constant, such as hexane) is preferable. However, water and the like are typical polar solvents, but can be used because they have cost merit. The reason for using a nonpolar solvent is that it is better to shield the charge of the nanoparticles in order to prevent the nanoparticles from attracting with the charge or the like of the nanoparticles. In addition, the viscosity of the solvent affects the ease of movement of the nanoparticles, and therefore affects the dispersibility. In particular, a solvent having a relative dielectric constant of 5 or less (hexane 1.9, toluene 2.3, xylene 2.3) is preferable.
また、金属微粒子6の分散性を向上させる目的で、事前処理としてアルコラート処理を施すとよい。スピンコート法による成膜、乾燥、を複数回繰り返すことで所定の膜厚にすることができる。微粒子層4は、スピンコート法以外に、例えば、滴下法、スプレーコート法等の方法でも成膜することができる。そして、電子加速層4上に薄膜電極3を成膜する。薄膜電極3の成膜には、例えば、マグネトロンスパッタ法を用いればよい。 In addition, for the purpose of improving the dispersibility of the metal fine particles 6, an alcoholate treatment may be performed as a pretreatment. A predetermined film thickness can be obtained by repeating film formation and drying by a spin coating method a plurality of times. The fine particle layer 4 can be formed by a method such as a dropping method or a spray coating method in addition to the spin coating method. Then, the thin film electrode 3 is formed on the electron acceleration layer 4. For forming the thin film electrode 3, for example, a magnetron sputtering method may be used.
すなわち、絶縁体及び絶縁皮膜ナノ粒子を溶媒に溶かし、超音波洗浄器によりナノ粒子を分散させ、第一の導電性部材上に塗布を行なう。その後、室温で放置し、ゆっくりと溶媒の除去を行なう。以上のような簡単なプロセスで、高温処理が必要なく電子加速層が形成できる。 That is, the insulator and insulating coating nanoparticles are dissolved in a solvent, the nanoparticles are dispersed by an ultrasonic cleaner, and the coating is performed on the first conductive member. Then, it is left at room temperature and the solvent is slowly removed. With the simple process as described above, an electron acceleration layer can be formed without the need for high-temperature treatment.
また、電子放出素子1において、電子加速層における絶縁性部材(微粒子層4における絶縁体の微粒子5に対応)が層形成されたものである場合、次のように生成することができる。まず、基板2上に、シート状で、かつ、層の厚み方向に貫通する複数の開口部を有している絶縁性部材(以降ではシート状絶縁性部材)を積層する、もしくは、基板2上に絶縁性部材を溶解/分散したコート液を塗布して絶縁体層を形成する。シート状絶縁性部材には、例えば、有機ポリマー、SiO2、Al2O3から成るシート状基板を用いることができ、絶縁体層を形成する物質には、SiO2、Al2O3、及びTiO2、または有機ポリマーを用いることができる。 Further, in the electron-emitting device 1, when the insulating member in the electron acceleration layer (corresponding to the insulating fine particles 5 in the fine particle layer 4) is formed as a layer, it can be generated as follows. First, an insulating member (hereinafter referred to as a sheet-like insulating member) having a plurality of openings penetrating in the thickness direction of the layer is laminated on the substrate 2, or on the substrate 2. A coating solution in which an insulating member is dissolved / dispersed is applied to form an insulating layer. As the sheet-like insulating member, for example, a sheet-like substrate made of an organic polymer, SiO 2 , and Al 2 O 3 can be used. Examples of the material that forms the insulator layer include SiO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2 or an organic polymer can be used.
ここで、複数の開口部は、有機ポリマーであれば刃物を用いたうち抜き法や、高エネルギーレーザ照射によるレーザ穴あけ加工法等を用いて形成可能であり、またSiO2、Al2O3から成る物質には、陽極酸化法、特にSiO2のナノポーラス構造形成には、界面活性剤を鋳型とする水熱反応法等を用いて、所望の開口部を形成可能である。なお、開口部の大きさは、使用する金属微粒子以上の直径が必要となり、50〜50nmが好ましい。このような開口部が設けられたシート状絶縁性部材を基板2積層する、もしくは絶縁性部材を溶解/分散したコート液を塗布して形成した絶縁体層に、複数の開口部を形成する。 Here, the plurality of openings can be formed by using a punching method using a blade or a laser drilling method using high-energy laser irradiation as long as it is an organic polymer, and from SiO 2 and Al 2 O 3. A desired opening can be formed on the formed material using an anodizing method, particularly a hydroporous reaction method using a surfactant as a template for forming a nanoporous structure of SiO 2 . The opening needs to have a diameter larger than that of the metal fine particles used, and is preferably 50 to 50 nm. A plurality of openings are formed in the insulating layer formed by laminating the substrate 2 with the sheet-like insulating member provided with such openings, or by applying a coating solution in which the insulating member is dissolved / dispersed.
ここで、上記では、基板2に、開口部が設けられたシート状絶縁性部材を積層しているが、基板2にシート状絶縁性部材を積層した後に、シート状絶縁性部材に開口部を形成してもよい。 Here, in the above, the sheet-like insulating member provided with the opening is laminated on the substrate 2, but after the sheet-like insulating member is laminated on the substrate 2, the opening is provided on the sheet-like insulating member. It may be formed.
その後、シート状絶縁性部材の開口部に絶縁被膜された金属微粒子6を充填する。このとき、例えば、絶縁被膜された金属微粒子6を分散させた溶液を、開口部に浸透させ自然乾燥させることで、電子加速層4が形成される。なお、絶縁被膜された金属微粒子6を、溶媒に分散させることなく、送風や吸引または擦り込みなどの方法により開口部に直接浸透させてもよい。そして、このように形成された電子加速層4上に、薄膜電極3を成膜する。薄膜電極3の成膜には、例えば、マグネトロンスパッタ法を用いればよい。 Thereafter, the metal fine particles 6 coated with an insulating film are filled in the openings of the sheet-like insulating member. At this time, for example, the electron acceleration layer 4 is formed by allowing a solution in which the metal fine particles 6 coated with an insulating film are dispersed to permeate the openings and naturally dry. The metal fine particles 6 with the insulating coating may be directly infiltrated into the opening by a method such as air blowing, suction, or rubbing without being dispersed in a solvent. Then, the thin film electrode 3 is formed on the electron acceleration layer 4 thus formed. For forming the thin film electrode 3, for example, a magnetron sputtering method may be used.
以下、本発明の電子放出の実施例について説明を行なっていく。 Examples of electron emission according to the present invention will be described below.
実施例として、本発明に係る電子放出素子を用いた電子放出実験について図3〜図9を用いて説明する。なお、この実験は実施の一例であって、本発明の内容を制限するものではない。 As an example, an electron emission experiment using the electron-emitting device according to the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, this experiment is an example of implementation and does not limit the content of the present invention.
本実施例では、微粒子層4における絶縁体の微粒子5と絶縁性部材(付着物質)を表面に付着させた金属微粒子6との配合を変えた5種類の電子放出素子1を作製した。 In this example, five types of electron-emitting devices 1 were prepared by changing the composition of the insulating fine particles 5 in the fine particle layer 4 and the metal fine particles 6 having the insulating member (adhesive substance) attached to the surface.
基板2には30mm角のSUSの基板を使用し、この基板2上にスピンコート法を用いて微粒子層4を堆積させた。スピンコート法に用いた絶縁体の微粒子5及び絶縁性部材を表面に付着させた金属微粒子6を含んだ溶液は、トルエンを溶媒として各粒子を分散したものである。トルエン溶媒中に分散させた絶縁体の微粒子5と絶縁性部材を表面に付着させた金属微粒子6の配合割合は、絶縁体の微粒子5および金属微粒子6の投入総量に対する絶縁体の微粒子5の重量比率を70、80、90、95%と、それぞれ成るようにした。 A 30 mm square SUS substrate was used as the substrate 2, and the fine particle layer 4 was deposited on the substrate 2 using a spin coating method. The solution containing the fine particles 5 of the insulator used in the spin coating method and the fine metal particles 6 having an insulating member attached to the surface is obtained by dispersing each particle using toluene as a solvent. The mixing ratio of the insulating fine particles 5 dispersed in the toluene solvent and the metal fine particles 6 having the insulating member attached to the surface is the weight of the insulating fine particles 5 with respect to the total amount of the insulating fine particles 5 and the metal fine particles 6 charged. The ratio was set to 70, 80, 90, and 95%, respectively.
絶縁性部材を表面に付着させた金属微粒子6として、銀ナノ粒子(平均径10nm、うち絶縁被膜アルコラート1nm厚)を用い、絶縁体の微粒子5として、球状シリカ粒子(平均径110nm)を用いた。 Silver nanoparticles (average diameter 10 nm, of which the insulating coating alcoholate is 1 nm thick) were used as the metal fine particles 6 having the insulating member attached to the surface, and spherical silica particles (average diameter 110 nm) were used as the insulating fine particles 5. .
各微粒子を分散させた溶液の作成方法を、図3を用いて説明する。10mLの試薬瓶にトルエン溶媒を3mL入れ、その中に0.5gのシリカ粒子を投入する。ここで試薬瓶を超音波分散器にかけ、シリカ粒子の分散を行う。この後0.055gの銀ナノ粒子を追加投入し、同様に超音波分散処理を行う。こうして絶縁体の微粒子(シリカ粒子)の配合割合が90%となる分散溶液が得られる。 A method for preparing a solution in which each fine particle is dispersed will be described with reference to FIG. 3 mL of toluene solvent is put into a 10 mL reagent bottle, and 0.5 g of silica particles is put therein. Here, the reagent bottle is put on an ultrasonic disperser to disperse the silica particles. Thereafter, 0.055 g of silver nanoparticles are additionally added, and ultrasonic dispersion treatment is similarly performed. In this way, a dispersion solution in which the blending ratio of the insulating fine particles (silica particles) is 90% is obtained.
スピンコート法による成膜条件は、分散溶液の基板への滴下後に、500RPMにて5sec続いて3000RPMにて10sec、基板の回転を行う事とした。この成膜条件を3度繰り返し、基板上に3層堆積させた後、室温で自然乾燥させた。膜厚は約1500nmであった。 The film forming condition by the spin coating method was that the substrate was rotated at 500 RPM for 5 seconds and then at 3000 RPM for 10 seconds after the dispersion solution was dropped onto the substrate. This film forming condition was repeated three times, three layers were deposited on the substrate, and then naturally dried at room temperature. The film thickness was about 1500 nm.
基板2の表面に微粒子層4を形成後、マグネトロンスパッタ装置を用いて薄膜電極3を成膜する。成膜材料として金を使用し、薄膜電極3の層厚は12nm、同面積は0.28cm2とした。 After the fine particle layer 4 is formed on the surface of the substrate 2, the thin film electrode 3 is formed using a magnetron sputtering apparatus. Gold was used as the film forming material, the layer thickness of the thin film electrode 3 was 12 nm, and the area was 0.28 cm 2 .
上記のように作製した電子放出素子について、図4に示すような測定系を用いて電子放出実験を行った。図4の実験系では、電子放出素子1の薄膜電極3側に、絶縁体スペーサ9を挟んで対向電極8を配置させる。そして、電子放出素子1および対向電極8は、それぞれ、電源7に接続されており、電子放出素子1にはV1の電圧、対向電極8にはV2の電圧がかかるようになっている。このような実験系を1×10−8ATMの真空中に配置して電子放出実験を行い、さらに、このような実験系を大気中に配置して電子放出実験を行った。これらの実験結果を図5〜7に示す。 For the electron-emitting device manufactured as described above, an electron emission experiment was performed using a measurement system as shown in FIG. In the experimental system of FIG. 4, the counter electrode 8 is arranged on the thin film electrode 3 side of the electron-emitting device 1 with the insulator spacer 9 interposed therebetween. The electron-emitting device 1 and the counter electrode 8 are each connected to a power source 7, and a voltage V1 is applied to the electron-emitting device 1 and a voltage V2 is applied to the counter electrode 8. An electron emission experiment was conducted by placing such an experimental system in a vacuum of 1 × 10 −8 ATM, and an electron emission experiment was conducted by placing such an experimental system in the atmosphere. The results of these experiments are shown in FIGS.
図5は、真空中にて電子放出実験した際の電子放出電流を測定した結果を示すグラフである。ここで、V1=1〜10V、V2=50Vとした。図5に示すように、1×10−8ATMの真空中において、シリカ粒子の重量比率が、70%では電子放出が見られないのに対し、80、90、95%では電子放出による電流が観測された。その値は、10Vの電圧印加で10−7A程度であった。 FIG. 5 is a graph showing a result of measuring an electron emission current when an electron emission experiment is performed in a vacuum. Here, V1 = 1 to 10V and V2 = 50V. As shown in FIG. 5, in a vacuum of 1 × 10 −8 ATM, no electron emission was observed when the weight ratio of silica particles was 70%, whereas currents due to electron emission were 80, 90, and 95%. Observed. The value was about 10 −7 A when a voltage of 10 V was applied.
図6は、上記と同様、真空中において電子放出実験した際の素子内電流を測定した結果を示すグラフである。ここでも、上記と同様、V1=1〜10V、V2=50Vとした。図6から、シリカ粒子の割合が70%では抵抗値が足りずに絶縁破壊を起こしている(電流値が振り切れ、グラフ上部に張り付いている)ことがわかる。金属微粒子の配合比が多くなると、金属微粒子による導電パスが形成され易くなり、微粒子層4に低電圧で大電流が流れてしまう。このため、弾道電子発生の条件が成立しないと考えられる。 FIG. 6 is a graph showing the result of measuring the current in the device when the electron emission experiment was performed in a vacuum as described above. Also here, V1 = 1 to 10V and V2 = 50V as described above. From FIG. 6, it can be seen that when the ratio of silica particles is 70%, the resistance value is insufficient and dielectric breakdown occurs (the current value is shaken out and sticks to the upper part of the graph). When the compounding ratio of the metal fine particles is increased, a conductive path is easily formed by the metal fine particles, and a large current flows through the fine particle layer 4 at a low voltage. For this reason, it is considered that the conditions for generating ballistic electrons are not satisfied.
図7は、シリカ粒子の割合が90%の電子放出素子を用いて、V1=1〜15V,V2=200Vとして、大気中で電子放出実験した際の、電子放出電流および素子内電流を測定した結果を示すグラフである。 FIG. 7 shows the measurement of the electron emission current and the current in the device when an electron emission experiment was performed in the atmosphere with V1 = 1 to 15 V and V2 = 200 V using an electron emitting device having a silica particle ratio of 90%. It is a graph which shows a result.
図7に示すように、大気中で、V1=15Vの電圧印加で10−10A程度の電流が観測された。 As shown in FIG. 7, a current of about 10 −10 A was observed in the atmosphere when a voltage of V1 = 15 V was applied.
さらに、図8は、図7と同様シリカ粒子の割合が90%の電子放出素子を用いて、ここでは、V1=15V,V2=200Vの電圧印加で大気中にて連続駆動させた際の、電子放出電流および素子内電流を測定した結果を示すグラフである。図8に示す通り、6時間経っても安定的に電流を放出し続けた。 Further, FIG. 8 uses an electron-emitting device having a silica particle ratio of 90% as in FIG. 7, and here, when it is continuously driven in the atmosphere by applying voltages of V1 = 15V and V2 = 200V, It is a graph which shows the result of having measured the electron emission current and the element internal current. As shown in FIG. 8, the current was stably released even after 6 hours.
図9に電子放出性能が最も良好であったシリカ90%の割合で混合した粒子について、電子加速層のSEM写真を示す。図9によれば、アルコラート皮膜ナノ金属粒子が、シリカ粒子に多数付着(図中の白く見える箇所)し、ほぼ均一な間隔で満遍なくシリカ粒子に形成されているのが観察できた。ここで、SEM写真は、第二の導電性部材側から、前処理なしでそのまま観察し、チャージアップするため、観察モードを数秒にして撮影を行なっている。
(比較例)
実施例1と同様に、溶媒にはトルエンを用い、絶縁被膜された金属微粒子6として銀ナノ粒子(平均径10nm、うち絶縁被膜アルコラート1nm厚)と、絶縁体の微粒子5としてシリカ粒子(平均径100nm)とを、粒子全体(銀ナノ粒子およびシリカ粒子)に対するシリカ粒子の比率90w%で混合して分散させ、溶液Aを作成した。また、溶媒にはトルエンを用い、絶縁体の微粒子5としてシリカ粒子(平均径100nm)を溶液Aと同様の重量を投入し、銀ナノ粒子は使用せずに溶液Bを作成した。これらの溶液を用い、スピンコートは500RPM・5sec+3000RPM・10secで溶液Aを1層堆積させ、その後、同様の回転数で溶液Bを2層堆積させた。自己組織化作用を発現させるために、焼成は行わずに室温で自然乾燥させた。膜厚は実施例1と同様約500nmであった。実施例1と同様の方法で電子放出実験を行なったが、電子放出は10Vの電圧印加で10−10程度と実施例に比べて低かった。
FIG. 9 shows an SEM photograph of the electron acceleration layer for particles mixed at a ratio of 90% of silica having the best electron emission performance. According to FIG. 9, it was observed that a large number of the alcoholate-coated nanometal particles adhered to the silica particles (the portions that appear white in the figure) and were uniformly formed on the silica particles at substantially uniform intervals. Here, since the SEM photograph is observed from the second conductive member side as it is without pre-processing and charged up, the photographing is performed with the observation mode set to several seconds.
(Comparative example)
In the same manner as in Example 1, toluene was used as the solvent, silver nanoparticles (average diameter: 10 nm, of which the insulating coating alcoholate was 1 nm thick) as insulating metal particles 6, and silica particles (average diameter) as insulating particles 5. 100 nm) was mixed and dispersed at a ratio of 90 w% of silica particles to the whole particles (silver nanoparticles and silica particles) to prepare solution A. Further, toluene was used as a solvent, silica particles (average diameter: 100 nm) as the insulating fine particles 5 were charged in the same weight as the solution A, and the solution B was prepared without using silver nanoparticles. Using these solutions, one layer of solution A was deposited by spin coating at 500 RPM · 5 sec + 3000 RPM · 10 sec, and then two layers of solution B were deposited at the same rotational speed. In order to develop a self-organizing action, it was naturally dried at room temperature without firing. The film thickness was about 500 nm as in Example 1. Although conducted emission experiments in the same manner as in Example 1, the electron emission was lower as compared with Examples 10 -10 voltage application of 10V.
図10にこの電子放出素子の電子加速層のSEM写真を示す。図10によれば、最上面(第二の導電性部材側)にはアルコラート皮膜ナノ粒子はシリカ粒子に形成されていないことがわかった。 FIG. 10 shows an SEM photograph of the electron acceleration layer of this electron-emitting device. According to FIG. 10, it was found that the alcoholate film nanoparticles were not formed on the silica particles on the uppermost surface (second conductive member side).
本発明は、電子放出素子に関するものである。適用例として、フィールドエミッションディスプレイ(FED)等のディスプレイや、電子線照射装置、光源、電子部品製造装置、電子回路部品のような電子線源として適用できる。 The present invention relates to an electron-emitting device. As an application example, it can be applied as a display such as a field emission display (FED), an electron beam source such as an electron beam irradiation device, a light source, an electronic component manufacturing device, and an electronic circuit component.
1 電子放出素子
2 第一の導電性部材(電極基板)
3 第二の導電性部材(薄膜電極)
4 微粒子層(電子加速層)
5 絶縁体の微粒子(絶縁性部材)
6 金属微粒子(絶縁皮膜ナノ微粒子)
7 電源(電源部)
8 対向電極
9 絶縁体スペーサ
1 Electron-emitting device 2 First conductive member (electrode substrate)
3 Second conductive member (thin film electrode)
4 Fine particle layer (electron acceleration layer)
5 Insulator fine particles (insulating material)
6 Metal fine particles (insulating coating nano-particles)
7 Power supply (power supply section)
8 Counter electrode 9 Insulator spacer
Claims (9)
前記導電性部材間の3次元空間に略均一に絶縁性部材と絶縁皮膜ナノ粒子を有し、かつ前記絶縁皮膜ナノ粒子は絶縁性部材上に略均一に形成されていることを特徴とする電子放出素子。 In the electron-emitting device in which the first conductive member and the second conductive member are formed so as to face each other, and a voltage is applied between the conductive members to emit electrons.
An electron having an insulating member and insulating coating nanoparticles substantially uniformly in a three-dimensional space between the conductive members, and the insulating coating nanoparticles are formed substantially uniformly on the insulating member. Emitting element.
絶縁皮膜ナノ粒子を絶縁性部材上に形成させる工程と、第一の導電性部材上に絶縁性部材と絶縁皮膜ナノ粒子を形成する工程と、第二の導電性部材を形成する工程と、を有する電子放出素子の製造方法。 A method of manufacturing an electron-emitting device, wherein a first conductive member and a second conductive member are formed so as to face each other, and a voltage is applied between the conductive members to emit electrons.
A step of forming insulating coating nanoparticles on the insulating member, a step of forming insulating member and insulating coating nanoparticles on the first conductive member, and a step of forming the second conductive member. A method for manufacturing an electron-emitting device.
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