JP2630983B2 - 電子放出素子 - Google Patents
電子放出素子Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2201/00—Electrodes common to discharge tubes
- H01J2201/30—Cold cathodes
- H01J2201/316—Cold cathodes having an electric field parallel to the surface thereof, e.g. thin film cathodes
- H01J2201/3165—Surface conduction emission type cathodes
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電子放出素子、特に電子放出素子の構造に関
するものである。
するものである。
［従来の技術］ 従来、簡単な構造で電子の放出が得られる素子とし
て、例えば、エム アイ エリンソン（M.I.Elinson）
等によって発表された冷陰極素子が知られている。［ラ
ジオ エンジニアリング エレクトロン フィジィッス
（Radio Eng.Electron.Phys.）第10巻,1290〜1296頁,19
65年］ これは、基板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に
平行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を
利用するもので、一般には表面伝導形放出素子と呼ばれ
ている。
て、例えば、エム アイ エリンソン（M.I.Elinson）
等によって発表された冷陰極素子が知られている。［ラ
ジオ エンジニアリング エレクトロン フィジィッス
（Radio Eng.Electron.Phys.）第10巻,1290〜1296頁,19
65年］ これは、基板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に
平行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を
利用するもので、一般には表面伝導形放出素子と呼ばれ
ている。
この表面伝導形放出素子としては、前記エリンソン等
により開発されたSnO2(Sb)薄膜を用いたもの、Au薄膜に
よるもの［ジー・ディトマー“スイン ソリド フィル
ムス”（G.Dittmer:“Thin Solid Films"）,9巻,317
頁，（1972年）］、ITO薄膜によるもの［エム ハート
ウェル アンド シー ジー フォンスタッド“アイ
イー イー イー トランス”イー ディー コンファ
レンス（M.Hartwell and C.G.Fonstad:“IEEE Trans.ED
Conf."）519頁，（1975年）］、カーボン薄膜によるも
の［荒木久他：“真空",第26巻，第１号,22頁，（1983
年）］などが報告されている。
により開発されたSnO2(Sb)薄膜を用いたもの、Au薄膜に
よるもの［ジー・ディトマー“スイン ソリド フィル
ムス”（G.Dittmer:“Thin Solid Films"）,9巻,317
頁，（1972年）］、ITO薄膜によるもの［エム ハート
ウェル アンド シー ジー フォンスタッド“アイ
イー イー イー トランス”イー ディー コンファ
レンス（M.Hartwell and C.G.Fonstad:“IEEE Trans.ED
Conf."）519頁，（1975年）］、カーボン薄膜によるも
の［荒木久他：“真空",第26巻，第１号,22頁，（1983
年）］などが報告されている。
これらの表面伝導形放出素子の典型的な素子構成を第
４図の断面図及び第５図の斜視図に示す。４は電気的接
続を得る為の電極、２は電子放出材料で形成される薄
膜、１は基板である。
４図の断面図及び第５図の斜視図に示す。４は電気的接
続を得る為の電極、２は電子放出材料で形成される薄
膜、１は基板である。
従来、これらの表面伝導形放出素子に於ては、電子放
出を行なう前にあらかじめフォーミングと呼ばれる通電
処理によって電子放出部を形成する。即ち、前記２つの
電極４の間に電圧を印加する事により、薄膜２に通電
し、これにより発生するジュール熱で薄膜２を局所的に
破壊、変形もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗部５を
得るものである。
出を行なう前にあらかじめフォーミングと呼ばれる通電
処理によって電子放出部を形成する。即ち、前記２つの
電極４の間に電圧を印加する事により、薄膜２に通電
し、これにより発生するジュール熱で薄膜２を局所的に
破壊、変形もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗部５を
得るものである。
［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、上記従来例では基板と薄膜が直接界面
を形成して接触しており、フォーミング処理の通電や電
子放出駆動の際、基板上の小面積の薄膜部へ局所的な発
熱が生じ、基板内応力による歪が大きく発生し、次の様
な欠点があった。
を形成して接触しており、フォーミング処理の通電や電
子放出駆動の際、基板上の小面積の薄膜部へ局所的な発
熱が生じ、基板内応力による歪が大きく発生し、次の様
な欠点があった。
（１）通電の際、基板が割れ、薄膜が切断されるため、
電子放出素子として機能しなくなる。
電子放出素子として機能しなくなる。
（２）通電の際、基板から薄膜が剥離することがあり、
電子放出素子として安定性、再現性、寿命が著しく低下
する。
電子放出素子として安定性、再現性、寿命が著しく低下
する。
（３）電子放出時における薄膜を流れる電流によっても
薄膜の高抵抗部が局所的に発熱し基板が割れ、薄膜が切
断されることもある。
薄膜の高抵抗部が局所的に発熱し基板が割れ、薄膜が切
断されることもある。
（４）（１），（２），（３）の問題点のため、加熱温
度の上限や基板材料、薄膜材料の選択の組み合わせに制
限があった。
度の上限や基板材料、薄膜材料の選択の組み合わせに制
限があった。
以上の様な欠点を解決するために従来は、基板内応力
の発生を小さくするべく、熱膨張係数が小さく、かつ比
較的熱伝導率が高く、さらに、基板材としての取扱いが
良好な、絶縁性基板として、唯一石英基板を用いてい
た。
の発生を小さくするべく、熱膨張係数が小さく、かつ比
較的熱伝導率が高く、さらに、基板材としての取扱いが
良好な、絶縁性基板として、唯一石英基板を用いてい
た。
即ち、小面積の薄膜部や薄膜の高抵抗部での局所的な
発熱を均一に短時間で基板内へ拡散させ、かつ大きな熱
勾配が発生しても基板の熱膨張係数が小さいために発生
する応力が小さく基板内の歪を極力おさえて、基板割れ
や薄膜の剥離を防止していた。このため、SnO2(Pb)薄膜
の様な高融点材料でも通電処理によるフォーミングを可
能としていた。
発熱を均一に短時間で基板内へ拡散させ、かつ大きな熱
勾配が発生しても基板の熱膨張係数が小さいために発生
する応力が小さく基板内の歪を極力おさえて、基板割れ
や薄膜の剥離を防止していた。このため、SnO2(Pb)薄膜
の様な高融点材料でも通電処理によるフォーミングを可
能としていた。
しかし、一般に石英基板は、通常のガラス材等の基板
に比べ非常に高価であり、また30cm2以上の大きさで表
面、面精度の良好な基板を安定して得ることは難しい材
料である。
に比べ非常に高価であり、また30cm2以上の大きさで表
面、面精度の良好な基板を安定して得ることは難しい材
料である。
従って、大面積で安価な基板を用いて、表面伝導形電
子放出素子を作製するには、基板材料の限定から前述の
欠点（１），（２），（３）から生ずる欠点（４）、即
ち加熱温度の上限や基板材料、薄膜材料の組み合わせに
制限があり、所望の特性の表面伝導形電子放出素子を得
ることができなかった。
子放出素子を作製するには、基板材料の限定から前述の
欠点（１），（２），（３）から生ずる欠点（４）、即
ち加熱温度の上限や基板材料、薄膜材料の組み合わせに
制限があり、所望の特性の表面伝導形電子放出素子を得
ることができなかった。
［課題を解決するための手段］ 本発明は、基板上に少なくとも薄膜と電極が設けら
れ、該薄膜に高抵抗部の形成された電子放出素子におい
て、基板と薄膜との間に、前記基板材料よりも低熱膨張
率で高熱伝導率の材料からなる中間層を設けたことを特
徴とする電子放出素子である。
れ、該薄膜に高抵抗部の形成された電子放出素子におい
て、基板と薄膜との間に、前記基板材料よりも低熱膨張
率で高熱伝導率の材料からなる中間層を設けたことを特
徴とする電子放出素子である。
以下、本発明を第１図〜第３図に基づいて詳細に説明
する。
する。
第１図は本発明の一例を示す素子断面図である。１は
基板、２は中間層３上に形成された薄膜、４は薄膜に電
圧を印加する電極、５は通電によってフォーミング処理
された高抵抗部である。本素子を真空中で電極４より電
圧印加すると高抵抗部５付近より電子が放出される。
基板、２は中間層３上に形成された薄膜、４は薄膜に電
圧を印加する電極、５は通電によってフォーミング処理
された高抵抗部である。本素子を真空中で電極４より電
圧印加すると高抵抗部５付近より電子が放出される。
通電及び電子放出時における高抵抗部５で発生する局
所的な発熱は、低熱膨張率で高熱伝導率の材料から成る
中間層３へ伝導し、中間層３内で素早く拡散し、中間層
３と基板１の広い範囲の界面で伝導し、基板１内に拡散
されていく。従って、基板１自体が比較的熱伝導率が低
く、また熱膨張係数が大きい材料でも、基板の局所的な
加熱を押さえ、基板内の歪が大きくならない。さらに薄
膜の発熱部は、中間層と接しているために発生する内部
応力も小さい。このため、基板割れや、薄膜の剥離が発
生しない電子放出素子が得られる。
所的な発熱は、低熱膨張率で高熱伝導率の材料から成る
中間層３へ伝導し、中間層３内で素早く拡散し、中間層
３と基板１の広い範囲の界面で伝導し、基板１内に拡散
されていく。従って、基板１自体が比較的熱伝導率が低
く、また熱膨張係数が大きい材料でも、基板の局所的な
加熱を押さえ、基板内の歪が大きくならない。さらに薄
膜の発熱部は、中間層と接しているために発生する内部
応力も小さい。このため、基板割れや、薄膜の剥離が発
生しない電子放出素子が得られる。
第２図は本発明の一例を示す素子の斜視図であり、第
３図は本発明の一例を示す素子の製造工程図である。製
造方法としては、まず、ガラス基板等から成る基板１上
に低熱膨張率で高熱伝導材料から成る中間層３を堆積す
る。堆積方法は、中間層材料により異なるが、液体コー
ティング法や、真空堆積法、印刷法等の膜形成法によっ
て堆積できる。中でも、セラミックコーティング剤を基
板上に、塗布、焼成することによって得る液体コーティ
ング法が、大面積化の可能性範囲、安価である点、大量
処理の可能性、供給安定性や熱可塑性の大きな材料を制
御して形成できる点等から最も優れている（第３図参
照）。
３図は本発明の一例を示す素子の製造工程図である。製
造方法としては、まず、ガラス基板等から成る基板１上
に低熱膨張率で高熱伝導材料から成る中間層３を堆積す
る。堆積方法は、中間層材料により異なるが、液体コー
ティング法や、真空堆積法、印刷法等の膜形成法によっ
て堆積できる。中でも、セラミックコーティング剤を基
板上に、塗布、焼成することによって得る液体コーティ
ング法が、大面積化の可能性範囲、安価である点、大量
処理の可能性、供給安定性や熱可塑性の大きな材料を制
御して形成できる点等から最も優れている（第３図参
照）。
次に中間層３上に、薄膜２を堆積形成する。薄膜材料
により異なるが、堆積法としては、真空堆積法、印刷
法、液体コーティング法等による。形成法としてはフォ
トリソエッチング法、マスク蒸着法、印刷法等が用いら
れる。本工程で第２図の素子外観図で示す薄膜２の形状
に形成する（第３図参照）。
により異なるが、堆積法としては、真空堆積法、印刷
法、液体コーティング法等による。形成法としてはフォ
トリソエッチング法、マスク蒸着法、印刷法等が用いら
れる。本工程で第２図の素子外観図で示す薄膜２の形状
に形成する（第３図参照）。
さらに、素子基板上に電極４をマスク蒸着法による真
空堆積等によって、第２図の電極４の形状に堆積形成す
る（第３図参照）。
空堆積等によって、第２図の電極４の形状に堆積形成す
る（第３図参照）。
なお、図中、ｌは0.01〜20mm、Ｗは0.1〜20mmの範囲
で十分な電子放出を得ることができる。その後、本素子
を真空中に置き、電極４に電圧を印加して薄膜２の一部
を通電によるフォーミング処理をほどこして高抵抗部５
を形成する（第３図及び第２図参照）。
で十分な電子放出を得ることができる。その後、本素子
を真空中に置き、電極４に電圧を印加して薄膜２の一部
を通電によるフォーミング処理をほどこして高抵抗部５
を形成する（第３図及び第２図参照）。
以上の製造方法によって本発明の電子放出素子を得る
ことができる。
ことができる。
本発明において基板材は、電子放出素子及び中間層を
支持できるものであれば良く、一般的で安価なガラス基
板、例えば青板ガラス、白板ガラス、硼ケイ酸ガラス等
の基板材が用いられる。これらの材料は、比較的熱伝導
率が低く、かつ熱膨張係数が大きくても、一般的なガラ
ス材であれば、中間層を設けることにより従来例の様な
問題は発生しない。
支持できるものであれば良く、一般的で安価なガラス基
板、例えば青板ガラス、白板ガラス、硼ケイ酸ガラス等
の基板材が用いられる。これらの材料は、比較的熱伝導
率が低く、かつ熱膨張係数が大きくても、一般的なガラ
ス材であれば、中間層を設けることにより従来例の様な
問題は発生しない。
中間層には、基板材料との比較において低熱膨張率で
高熱伝導率のものを用いる。通常は熱膨張率５×10-7〜
10×10-7／℃、熱伝導率0.003cal/cm・ｓ・deg以上程度
のものがよい。
高熱伝導率のものを用いる。通常は熱膨張率５×10-7〜
10×10-7／℃、熱伝導率0.003cal/cm・ｓ・deg以上程度
のものがよい。
具体的な材料としては、その形成方法や材料の供給安
定性、取扱い、電気的絶縁性能、表面伝導形電子放出素
子に対する基板材中に含まれるナトリウムの様な不純物
の混入防止、安価である点等から、SiO2系膜が最も適し
ており、SiO2を主成分としたAl2O3，ZrO2，TiO2,MgO等
との混合材でもよい。また中間層の構成としてSiO2単一
材料や混合材の単層構造の他に多層構造で中間層を構成
しても使用可能である。
定性、取扱い、電気的絶縁性能、表面伝導形電子放出素
子に対する基板材中に含まれるナトリウムの様な不純物
の混入防止、安価である点等から、SiO2系膜が最も適し
ており、SiO2を主成分としたAl2O3，ZrO2，TiO2,MgO等
との混合材でもよい。また中間層の構成としてSiO2単一
材料や混合材の単層構造の他に多層構造で中間層を構成
しても使用可能である。
中間層の厚みとしては電子放出材薄膜の材料にもよる
が、通常500Å程度以上が好ましい。高融点材料の一つ
であるSnO2(Pb)材を薄膜とした場合でも中間層の厚みが
1000Å程度あれば、充分な効果を得ることができる。
が、通常500Å程度以上が好ましい。高融点材料の一つ
であるSnO2(Pb)材を薄膜とした場合でも中間層の厚みが
1000Å程度あれば、充分な効果を得ることができる。
薄膜の材料としては、SnO2，InO3,PbO等の金属酸化
物、Au,Ag,Pt等の金属、カーボン、その他各種半導体
等、高融点材料を含め、表面伝導形電子放出素子に用い
られているものであればよい。また薄膜の厚みは500Å
〜１μｍ程度が良い。
物、Au,Ag,Pt等の金属、カーボン、その他各種半導体
等、高融点材料を含め、表面伝導形電子放出素子に用い
られているものであればよい。また薄膜の厚みは500Å
〜１μｍ程度が良い。
電極の材料としては、Ni,Pt,Al,Cu,Au,Taなど通常の
金属やその他の導電性部材等、表面伝導形電子放出素子
に用いられているものであれば、使用することができ
る。電極の厚みは、500Å以上が好ましい。
金属やその他の導電性部材等、表面伝導形電子放出素子
に用いられているものであれば、使用することができ
る。電極の厚みは、500Å以上が好ましい。
［実施例］ 前述の第３図に示す工程図に基づいて、以下のように
電子放出素子を作製した。
電子放出素子を作製した。
洗浄された青板ガラスからなる基板上に、液体コー
ティング材（東京応化工業（株）社製OCD）を塗布し、
基板を焼成することによって、膜厚1000Å程度のSiO2か
らなる中間層を設けた。
ティング材（東京応化工業（株）社製OCD）を塗布し、
基板を焼成することによって、膜厚1000Å程度のSiO2か
らなる中間層を設けた。
次に、で得た中間層上にフォトレジストを形成
し、更にセラミックコーティング剤を用いた塗布焼成に
よる液体コーティング法で膜厚1000Å程度のSnO2(Pb)か
ら成る導電膜を成膜した後、フォトレジストを剥離しSn
O2(Pb)をリフトオフ法によって形成して薄膜を得た。
し、更にセラミックコーティング剤を用いた塗布焼成に
よる液体コーティング法で膜厚1000Å程度のSnO2(Pb)か
ら成る導電膜を成膜した後、フォトレジストを剥離しSn
O2(Pb)をリフトオフ法によって形成して薄膜を得た。
この時、薄膜は第２図に示すような形状とし、第２図
中でｗ＝0.1mmとした。
中でｗ＝0.1mmとした。
次いで、上記パターニングされた薄膜の上に、真空
堆積法により膜厚1000Å程度のニッケルからなる電極を
設けた。
堆積法により膜厚1000Å程度のニッケルからなる電極を
設けた。
この時、マスク真空堆積法により電極を第２図に示し
たような形状にパターニングし、第２図中でｌ＝0.3mm
とした。
たような形状にパターニングし、第２図中でｌ＝0.3mm
とした。
最後に、10-6Torr程度の真空下にて、電極に直流電
圧を印加し通電処理を行ったところ、消費電力1W程度で
薄膜部分に高抵抗部が形成され、電子放出素子を作製し
た。
圧を印加し通電処理を行ったところ、消費電力1W程度で
薄膜部分に高抵抗部が形成され、電子放出素子を作製し
た。
この際、基板の割れや薄膜の基板からの剥離はなかっ
た。
た。
上記のようにして得た素子を10-6Torr代の真空中に置
き、電極の間に直流電圧Vf＝20Vを印加し、上部電極板
（図示せず）を高抵抗部の上部へ7mmの間隔で平行に対
面させ、電極のマイナス側との間に直流電圧100Vを印加
した。すると上部電極へ１μＡ程度の電子放出電流を得
ることができた。
き、電極の間に直流電圧Vf＝20Vを印加し、上部電極板
（図示せず）を高抵抗部の上部へ7mmの間隔で平行に対
面させ、電極のマイナス側との間に直流電圧100Vを印加
した。すると上部電極へ１μＡ程度の電子放出電流を得
ることができた。
更に、本素子を上記条件で48時間連続して電子放出さ
せても、基板の割れや薄膜の剥離は発生しなかった。
せても、基板の割れや薄膜の剥離は発生しなかった。
［発明の効果］ このように、基板と薄膜との間に中間層を設けること
により、次のような効果が得られる。
により、次のような効果が得られる。
（１）通電の際、基板が割れて、薄膜が切断されること
がなくなる。
がなくなる。
（２）通電の際、基板から薄膜の剥離を防止し、電子放
出装置として安定性、再現性、寿命が向上する。
出装置として安定性、再現性、寿命が向上する。
（３）（１），（２）より基板材料、薄膜材料の選択の
組み合わせの自由度がひろがり、所望の特性を有する薄
膜材料を安価でかつ大面積な基板材の上に形成すること
ができるようになる。
組み合わせの自由度がひろがり、所望の特性を有する薄
膜材料を安価でかつ大面積な基板材の上に形成すること
ができるようになる。
（４）電子放出中の発熱による基板の割れ及び薄膜の剥
離を防止できるという効果があり、電子放出装置の信頼
性を向上させることができる。
離を防止できるという効果があり、電子放出装置の信頼
性を向上させることができる。
その他、中間層をSiO2とすることによって、電気的絶
縁性能等が優れ、また基板中に含まれる不純物の電子放
出素子への混入を防止する基板を提供することができ
る。
縁性能等が優れ、また基板中に含まれる不純物の電子放
出素子への混入を防止する基板を提供することができ
る。
また中間層をセラミックコーティング剤を用いた塗
布、焼成による液体コーティング法によって形成するこ
とにより、より大面積の基板上にも安価で精度良く、均
一な中間層を容易に得ることができる。
布、焼成による液体コーティング法によって形成するこ
とにより、より大面積の基板上にも安価で精度良く、均
一な中間層を容易に得ることができる。
以上から、従来石英基板を用いていた電子放出素子に
比べ、性能の低下が無く、かつ、大面積の電子放出素子
を安価で容易に得られる基板材料から作製できるように
なった。
比べ、性能の低下が無く、かつ、大面積の電子放出素子
を安価で容易に得られる基板材料から作製できるように
なった。
第１図は本発明に係る電子放出素子の断面図、第２図は
本発明に係る電子放出素子の斜視図、第３図は本発明に
係る電子放出素子の製造工程図、第４図及び第５図は従
来の電子放出素子の説明図である。 １…基板、２…薄膜、３…中間層、４…電極、５…高抵
抗部。
本発明に係る電子放出素子の斜視図、第３図は本発明に
係る電子放出素子の製造工程図、第４図及び第５図は従
来の電子放出素子の説明図である。 １…基板、２…薄膜、３…中間層、４…電極、５…高抵
抗部。
フロントページの続き (72)発明者 武田 俊彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 実公 昭44−24419（ＪＰ，Ｙ１)
Claims (7)
- 【請求項１】基板上に少なくとも薄膜と電極が設けら
れ、該薄膜に高抵抗部の形成された電子放出素子におい
て、基板と薄膜との間に、前記基板材料よりも低熱膨張
率で高熱伝導率の材料からなる中間層を設けたことを特
徴とする電子放出素子。 - 【請求項２】前記中間層が、熱膨張率が５×10-7〜10×
10-7／℃の範囲内で、かつ、熱伝導率が0.003cal/cm・
ｓ・deg以上のものであることを特徴とする請求項１項
に記載の電子放出素子。 - 【請求項３】前記中間層が、前記高抵抗部で発生する熱
を拡散させる層であることを特徴とする請求項１項に記
載の電子放出素子。 - 【請求項４】前記中間層が、前記基板中の不純物が前記
薄膜へ混入するのを防止する層であることを特徴とする
請求項１項に記載の電子放出素子。 - 【請求項５】前記中間層がSiO2又はSiO2を主成分とする
膜からなることを特徴とする請求項１乃至４項のいずれ
かに記載の電子放出素子。 - 【請求項６】前記中間層が、SiO2を主成分としたSiO2と
Al2O3、ZrO2、TiO2又はMgOとの混合材であることを特徴
とする請求項１乃至４項のいずれかに記載の電子放出素
子。 - 【請求項７】前記中間層が、SiO2、SiO2を主成分とした
SiO2とAl2O3、ZrO2、TiO2又はMgOとの混合材から選ばれ
た多層構造であることを特徴とする請求項１乃至４項の
いずれかに記載の電子放出素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10756588A JP2630983B2 (ja) | 1988-05-02 | 1988-05-02 | 電子放出素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10756588A JP2630983B2 (ja) | 1988-05-02 | 1988-05-02 | 電子放出素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01279538A JPH01279538A (ja) | 1989-11-09 |
| JP2630983B2 true JP2630983B2 (ja) | 1997-07-16 |
Family
ID=14462390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10756588A Expired - Fee Related JP2630983B2 (ja) | 1988-05-02 | 1988-05-02 | 電子放出素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2630983B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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