JP2010225349A - Electron emission element, and method for 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及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an electron-emitting device capable of emitting electrons by applying a voltage and a method for manufacturing the same.
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材料を用い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。 As a field emission display element, a microemitter using a material such as silicon or molybdenum having a sharp tip is conventionally 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10参照)。
In Japanese Patent Laid-Open No. 2001-35424, a sword mountain-like member having a large number of
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11参照)。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-236879 is a method in which a base layer is formed on a
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 an emitter material for field emission, such as (4) excellent atomic stability and high temperature stability, 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。
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。
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.
Since all of these electron-emitting devices are formed in a plane, it cannot be said that the 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、常温で金属微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-organization by a simple process of applying and drying a solution containing metal fine particles at room temperature, and conducted a study. 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、前記第一の導電性部材と第二の導電性部材間に、電子を放出する電子放出層が形成され、電子放出層は3次元的に略均質に突起物が形成されていることを特徴としている。
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, wherein an electron-emitting layer that emits electrons is formed between the first conductive member and the second conductive member, and the electron-emitting layer is substantially homogeneous in three dimensions. It is characterized in that a protrusion is formed on the surface.
この構成によれば、従来のスピント型電極、CNT型電極に比べ、3次元空間を有効に利用することができ、各々の突起物に強力な電界を印加することができるため、電子を効率よく発生させることができる。その結果、電子放出素子の効率を向上させることができる。 According to this configuration, compared to the conventional Spindt-type electrode and CNT-type electrode, a three-dimensional space can be used effectively, and a strong electric field can be applied to each protrusion, so that electrons can be efficiently used. Can be generated. As a result, the efficiency of the electron-emitting device can be improved.
また、本発明の電子放出素子は、MIM型の電子放出構造であり、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。 Further, the electron-emitting device of the present invention has an MIM type electron-emitting structure, and does not generate discharge even when operated not only in a vacuum but also in an atmospheric pressure, and thus hardly generates harmful substances such as ozone and NOx. The electron-emitting device is not oxidized and deteriorated. 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.
本発明の電子放出層は、平均粒径の異なる粒子を組み合わせて形成されていることを特徴としている。また、平均粒径の大きい粒子に平均粒径の小さい粒子を付着させ、平均粒径の小さい粒子を前記突起物として利用している。 The electron emission layer of the present invention is characterized by being formed by combining particles having different average particle diameters. Further, particles having a small average particle diameter are attached to particles having a large average particle diameter, and the particles having a small average particle diameter are used as the protrusions.
この構成によると、上記効果に加え、自己組織化作用により、小さい粒子が大きい粒子に均一に吸着される。これは、平均粒径の異なる異種粒子を単一粒子レベルで均一に分散させた状態に混合できる精密混合性に優れているため、数百nmと数nmサイズの粒子を用いても効果的に分散させ、突起物を複合粒子とすることができる。したがって、簡単な製造方法で均一に突起物を3次元構造的に形成することができる。これには、高温で焼成する必要がないため、時間的、コスト的なメリットが大きい。 According to this configuration, in addition to the above effects, small particles are evenly adsorbed to large particles by a self-organizing action. This is because it is excellent in precision mixing that allows different types of particles with different average particle sizes to be mixed in a uniformly dispersed state at the single particle level. The protrusions can be made into composite particles by dispersing. Accordingly, the projections can be uniformly formed in a three-dimensional structure by a simple manufacturing method. This does not require firing at a high temperature, and therefore has great time and cost advantages.
また本発明の電子放出層は平均粒径の異なる絶縁体粒子あるいは絶縁皮膜された金属微粒子からなることを特徴としている。 The electron emission layer of the present invention is characterized by comprising insulating particles having different average particle diameters or metal fine particles having an insulating film.
この構成によると、金属微粒子の周囲に、薄膜の絶縁部材を被覆することで、金属微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、上記絶縁性部材および絶縁皮膜金属微粒子は、電子放出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、電子放出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、電子放出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。 According to this configuration, the metal fine particles are coated with a thin insulating member around the metal fine particles, so that the metal fine particle oxidation generation reaction can be made less likely to occur, and the device can be used in an atmospheric pressure state. Further, since the insulating member and the insulating coated metal fine particles can adjust the resistance value and the amount of electrons generated in the electron emission layer, it is possible to control the value of the current flowing through the electron emission 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 in the electron emission layer, the electron emission element can be prevented from being destroyed by heat.
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記金属微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、上記金属微粒子を成す導電体が、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも1つを含んでいることで、金属微粒子の、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 electron-emitting device of the present invention, in addition to the above configuration, the conductor constituting the metal fine particles may include at least one of gold, silver, platinum, palladium, and nickel. As described above, since the conductor forming the metal fine particles contains at least one of gold, silver, platinum, palladium, and nickel, elements such as oxidation of the metal fine particles by oxygen in the atmosphere are used. 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、上記金属微粒子の平均径は、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、上記金属微粒子の平均径を、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、電子放出層内で、金属微粒子による導電パスが形成されず、電子放出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金属微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 metal fine particles 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 metal fine particles to be smaller than the fine particle diameter of the insulating member, preferably 3 to 20 nm, a conductive path due to the metal fine particles is not formed in the electron emission layer, and the electrons Dielectric breakdown is less likely to occur in the emission layer. Although there are many unclear points in principle, electrons are efficiently generated by using metal fine particles 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、上記電子放出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、金属微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. If the insulating member contains at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2 , or contains an organic polymer, the electron emitting layer has a high insulating property. 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 metal fine particle, element 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金属微粒子の内部から外部へと効率よく熱伝導させて、素子内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができ、電子放出素子が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、上記電子放出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 metal fine particle 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 emission layer can be easily adjusted.
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記電子放出層における上記絶縁性部材と絶縁皮膜金属微粒子の割合が、重量比で4:1〜19:1であるのが好ましい。上記重量比率の範囲内であると、上記電子放出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 to the insulating coating metal fine particles in the electron-emitting layer is preferably 4: 1 to 19: 1 by weight. When the weight ratio is within the range, the resistance value in the electron-emitting layer can be increased appropriately, and the electron-emitting device can be prevented from being destroyed by a large amount of electrons flowing at once.
本発明の電子放出素子では、上記構成に加え、上記電子放出層の層厚は、12〜6000nmであるのが好ましく、300〜6000nmであるのがより好ましい。上記電子放出層の層厚を、好ましくは12〜6000nm、より好ましくは300〜6000nmとすることにより、電子放出層の層厚を均一化すること、また層厚方向における電子放出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-emitting layer is preferably 12 to 6000 nm, and more preferably 300 to 6000 nm. By making the layer thickness of the electron emission layer preferably 12 to 6000 nm, more preferably 300 to 6000 nm, it is possible to make the layer thickness of the electron emission layer uniform and to adjust the resistance of the electron emission layer 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、電子放出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 including at least one of gold, silver, carbon, tungsten, titanium, aluminum, and palladium in the thin film electrode, electrons generated in the electron emission layer can be 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金属微粒子の絶縁被膜は、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-described structure, the insulating coating of the fine metal particles of the electron-emitting device of the present invention 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、絶縁皮膜金属微粒子の絶縁被膜は、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、素子作成時の金属微粒子の分散液中での分散性向上に貢献するため、金属微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金属微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 metal fine particles contains 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 metal fine particles in the dispersion at the time of element creation. In addition to making it difficult to occur, the composition of the particles due to oxidation of the metal fine particles existing around the insulating member 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、前記電子放出層は、3次元的に略均質に突起物を形成する工程を有することを特徴としている。 According to the method for manufacturing an electron-emitting device of the present invention, the electron-emitting layer includes a step of forming protrusions three-dimensionally and substantially uniformly.
このような製造方法にすることにより、従来のスピント型電極、CNT型電極に比べ、3次元空間を有効に利用することができ、各々の突起物に強力な電界を印加することができるため、電子を効率よく発生させることができる。またその結果、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。 By using such a manufacturing method, compared to conventional Spindt-type electrodes and CNT-type electrodes, a three-dimensional space can be used effectively, and a strong electric field can be applied to each protrusion. Electrons can be generated efficiently. As a result, the electron-emitting device can be formed on the insulating member in a self-organized manner, and an electron-emitting device can be efficiently produced with the minimum use energy without going through a high-temperature firing step.
また、上記3次元的に略均質に突起物を形成する工程は、同一の溶媒に平均粒径の粒子を分散させ溶液を作成する工程と、前記溶液を導電性部材上に塗布する工程と、乾燥する工程からなる。絶縁体部材と絶縁皮膜金属微粒子を同一の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、3次元空間に、均一に、絶縁皮膜金属微粒子の突起物を効率よく製造することができる。 Further, the step of forming the projections approximately uniformly in the three-dimensional manner includes a step of dispersing particles having an average particle diameter in the same solvent to form a solution, a step of applying the solution onto the conductive member, It consists of the process of drying. Insulating member and insulating coating metal fine particles are mixed in the same solvent to form a solution, and the particles in the dispersion solution are dispersed, and left at room temperature or after heating at a temperature below the boiling point of the solvent. Thus, the self-organization can be effectively expressed, and the protrusions of the insulating coating metal fine particles can be efficiently produced uniformly in the three-dimensional space.
以上説明したように、本発明の電子放出素子によれば、電極間に電子放出層を塗布・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-emitting 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、電子放出層は3次元的に略均質に突起物が形成されている。この均質な突起物を平均粒径の異なる粒子を組み合わせて形成してもよい。また、平均粒径の大きい粒子に平均粒径の小さい粒子を付着させ、平均粒径の小さい粒子を前記突起物として用いるのが好ましい。これは薄膜の層であり、この電子放出層に電圧を印加すると、電子放出層には、印加電圧の形成する強電界により電子がナノ金属微粒子内から放出され、絶縁皮膜を電子がトンネルすることにより、電子放出層から電子となって放出される。 In the electron-emitting device according to the present invention, as described above, the electron-emitting layer has a three-dimensional projection substantially uniformly formed between the first conductive member and the second conductive member. . You may form this homogeneous protrusion combining the particle | grains from which an average particle diameter differs. Moreover, it is preferable that particles having a small average particle diameter are adhered to particles having a large average particle diameter, and the particles having a small average particle diameter are used as the protrusions. This is a thin film layer. When a voltage is applied to this electron emission layer, electrons are emitted from the nanometal particles by the strong electric field generated by the applied voltage, and electrons tunnel through the insulating film. Thus, electrons are emitted from the electron emission layer.
このように構成された電子放出素子は、従来のスピント型電極、CNT型電極に比べ、3次元空間を有効に利用することができ、各々の突起物に強力な電界を印加することができるため、電子を効率よく発生させることができる。その結果、電子放出素子の効率を向上させることができ、低消費電力化が図れる。 Compared to conventional Spindt-type and CNT-type electrodes, the electron-emitting device configured in this way can effectively use a three-dimensional space and can apply a strong electric field to each protrusion. Electrons can be generated efficiently. As a result, the efficiency of the electron-emitting device can be improved and power consumption can be reduced.
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。 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、電子放出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、電子放出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、電子放出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, the insulating member and the insulating coating nanoparticle can adjust the resistance value and the amount of electrons generated in the electron emission layer, so that the value of the current flowing through the electron emission 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 in the electron emission layer, the electron emission element 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.
さらに、自己組織化作用により大きな絶縁体粒子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製造することができる。 Furthermore, it can be formed on large insulator particles by a self-organizing action, and an electron-emitting device can be efficiently manufactured with a minimum use energy without going through a high-temperature firing step.
以下、本発明の電子放出素子の実施形態について、図1〜図9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。
(電子放出素子の構成)
本発明の電子放出素子の構成について説明する。
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.
(Configuration of electron-emitting device)
The configuration of the electron-emitting device of the present invention will be described.
図1に示すように、電子放出素子1は、第一の導電性部材2上に絶縁体5と絶縁皮膜金属微粒子6(以下電子放出層4という)と、第一の導電性部材2に対向するように第二の導電性部材3を備えるとともに、電源7と、対向電極3とが配置されている。
As shown in FIG. 1, the electron-emitting
電子放出層4は、第一の導電性部材2と第二の導電性部材3とにより挟持されている。また、電源7は、第一の導電性部材2と第二の導電性部材3との間に電圧を印加する。電子放出層4は、後述するように少なくとも絶縁皮膜された金属微粒子の凝集体が複数個所に形成されている。電子放出素子4は、第一の導電性部材2と第二の導電性部材3との間に電圧が印加されることで、第一の導電性部材2と第二の導電性部材3との間(すなわち、電子放出層4)で電子を加速し、対向電極3に向かって第二の導電性部材3から電子を放出させる。
The
以上のような基本構成を基に、それぞれの部材および電子放出原理について、図1の電子放出層4の内部をモデル化した状態を図2に示して詳細に説明を行なう。
(第一の導電性部材)
第一の導電性部材となる基板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、その電子放出層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、第一の導電性部材となる基板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。
(第二の導電性部材)
第二の導電性部材3は、電子放出層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、電子放出層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。また第二の導電性部材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。第二の導電性部材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第二の導電性部材3で電子の吸収あるいは反射による電子放出層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。
(金属微粒子)
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金属微粒子等の市販の金属微粒子粉体も利用可能である。
Based on the basic configuration as described above, each member and the principle of electron emission will be described in detail with reference to FIG. 2 showing a state in which the inside of the
(First conductive member)
The board |
(Second conductive member)
The second
(Metal fine particles)
Any metal species can be used as the metal species of the
また、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。
(絶縁体)
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%、すなわち金属微粒子との割合は4:1〜19:1が好ましい。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。
The average diameter of the
(Insulator)
The insulating
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。
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
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 material of the insulating
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。
(電子放出層)
電子放出層4は、上記絶縁体5および金属微粒子6を含んでいる。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、電子放出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放出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。
(電子放出原理)
電子放出の原理について、電子放出層4をモデル化した状態の図2により説明する。絶縁体粒子5上に絶縁皮膜された金属微粒子6は自己組織化によって形成される。その原理を以下に示す。
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.
(Electron emission layer)
The
(Electron emission principle)
The principle of electron emission will be described with reference to FIG. 2 in which the
図3に電子放出層の作成プロセスを示す。絶縁体及び絶縁皮膜金属微粒子を溶媒に溶かし、超音波洗浄器により金属微粒子を分散させ、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、ゆっくりと溶媒を蒸発させると、溶媒の蒸発時に自己組織化作用により、絶縁皮膜された金属微粒子が絶縁体上に略均一な間隔を保って形成される。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放出層が形成できる。 FIG. 3 shows a process for forming the electron emission layer. Insulator and insulating coating metal fine particles are dissolved in a solvent, and the metal fine particles are dispersed by an ultrasonic cleaner, and coating is performed on the first conductive member. After that, when the solvent is allowed to evaporate slowly at room temperature, metal fine particles with an insulating film are formed on the insulator at substantially uniform intervals by a self-organizing action when the solvent evaporates. With the simple process as described above, the electron emission layer can be formed without the need for high-temperature treatment.
原理的には、図2に示すように、平均粒径の小さな粒子(絶縁皮膜金属微粒子)は、金属微粒子より平均粒径の大きな粒子(絶縁体粒子)に付着するほうがエネルギー的に安定である。このような金属微粒子の挙動を利用することにより、自己組織的に絶縁体に絶縁皮膜金属微粒子同士が間隔を保って配置した状態を作る。これは、粒子間の静電斥力によって粒子同士が反発し、互いに距離を置くよう分布しているため、絶縁体の周囲に絶縁皮膜金属微粒子が配置された構成に形成できる。 In principle, as shown in FIG. 2, particles having a small average particle diameter (insulating coating metal fine particles) are more energetically stable when attached to particles having a large average particle diameter (insulator particles) than metal fine particles. . By utilizing such behavior of the metal fine particles, a state in which the insulating coated metal fine particles are arranged at intervals in the insulator in a self-organizing manner is created. This is because particles are repelled by electrostatic repulsive force between the particles and distributed so as to be spaced apart from each other, so that the insulating coating metal fine particles can be formed around the insulator.
このような原理に基づき、導電性部材間に絶縁体粒子の周囲に絶縁皮膜金属微粒子を高温の焼成などが必要なく、室温で放置する自己組織化作用で、均質に付着形成させる。このプロセスで、絶縁皮膜金属微粒子は突起物として3次元的に導電性部材間に略均質に形成されることになる。ここで、略均質という表現はそれぞれの粒子がSEM観察時に、ほぼ絶縁体粒子に均一に付着していることを意味し、厳密に付着状態を定義するものではない。後述するように、付着物の一部は凝集されていても良い。 Based on such a principle, the insulating coating metal fine particles are not uniformly fired around the insulating particles between the conductive members, and are uniformly formed by a self-organizing action that is allowed to stand at room temperature. In this process, the insulating coating metal fine particles are three-dimensionally formed substantially uniformly between the conductive members as protrusions. Here, the expression “substantially homogeneous” means that each particle adheres substantially uniformly to the insulator particles during SEM observation, and does not strictly define the adhesion state. As will be described later, some of the deposits may be aggregated.
従来技術で示したような現在提案されているスピント型電極やCNT電極では、電子放出箇所は空間を平面的に利用しているだけであり、電極間の空間を最大限利用していない。導電性部材間に電圧を印加すると、局所的な突起物は電界集中により、高電圧が印加されることになり、3次元的に形成されたそれぞれの突起から電子が放出される。この原理は、絶縁皮膜金属微粒子表面に強電界が掛かると、真空との境界でポテンシャル障壁が傾斜を持つが、強電界になると障壁が極めて薄くなり、トンネル効果で電子が真空中に放出されることによると考えられる。 In the currently proposed Spindt-type electrode and CNT electrode as shown in the prior art, the electron emission location only uses the space in a plane, and does not use the space between the electrodes to the maximum. When a voltage is applied between the conductive members, a high voltage is applied to the local protrusions due to electric field concentration, and electrons are emitted from the respective protrusions formed three-dimensionally. This principle is that when a strong electric field is applied to the surface of the insulating coating metal fine particles, the potential barrier has an inclination at the boundary with the vacuum. It is thought that.
具体的には、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。
Specifically, first, the
特に、絶縁皮膜金属微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、金属微粒子がもつ電荷等で引き合わないようにするためには、金属微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、溶媒の粘度も金属微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 metal fine particles, a nonpolar solvent (a solvent having a small relative dielectric constant, such as hexane) is preferred. However, water and the like are typical polar solvents, but can be used because they have cost merit. The reason for using the nonpolar solvent is that it is better to shield the charge of the metal fine particles in order to avoid attracting the charge of the metal fine particles in the solvent. Also, the viscosity of the solvent affects the ease of movement of the metal fine particles, 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、電子放出層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
すなわち、絶縁体及び絶縁皮膜金属微粒子を溶媒に溶かし、超音波洗浄器により金属微粒子を分散させ、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放出層が形成できる。 That is, the insulator and the insulating coating metal fine particles are dissolved in a solvent, the metal fine particles are dispersed by an ultrasonic cleaner, and 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, the electron emission layer can be formed without the need for high-temperature treatment.
ここで、A点での電界強度はマクロ的には、E=V(印加電圧)/d(素子間距離)で与えられ、ミクロ的には電界集中が起こっているため、電界集中が起こっている部分では高電界状態となっている。またB点が第一の導電性部材と第二の導電性部材の中央に位置していると仮定すると、B点にかかっている電界強度は、A点とB点が同形状であれば、A点の1/2となる。したがって、図2のモデルに示すように、電界集中が3次元空間内で、多数発生するような構成とすることにより、従来技術に示したスピント型の平面的な電極構造より、効率的に電子の放出を行なえる。さらに、B点における電子のエネルギーは、A点での電子エネルギーが重畳される。A点での高エネルギーを持った電子は、B点で、さらに前記電界集中によるエネルギーを得て最終的には上部の電極の貫通箇所あるいはトンネルすることにより電子が電子放出素子から外部に放出されることになる。 Here, the electric field strength at the point A is given macroscopically by E = V (applied voltage) / d (inter-element distance), and since the electric field concentration occurs microscopically, the electric field concentration occurs. There is a high electric field in the part. Assuming that the point B is located at the center of the first conductive member and the second conductive member, the electric field strength applied to the point B is the same as that of the point A and the point B. 1/2 of point A. Therefore, as shown in the model of FIG. 2, by adopting a configuration in which a large number of electric field concentrations are generated in a three-dimensional space, electrons are more efficiently produced than the Spindt type planar electrode structure shown in the prior art. Can be released. Furthermore, the electron energy at point A is superimposed on the energy of electrons at point B. Electrons having high energy at the point A are further emitted from the electron-emitting device by gaining energy due to the electric field concentration at the point B and finally passing through or tunneling through the upper electrode. Will be.
ここで、第一の導電性部材と、第二の導電性部材の間隔は絶縁破壊が起こらない程度に短いほうがより効率よく、電子放出が可能となるため好ましい。高電圧を印加でき、電界集中が発生しやすくなり、低消費電力の素子を作成できるからである。 Here, it is preferable that the distance between the first conductive member and the second conductive member be as short as possible without causing dielectric breakdown because electrons can be emitted more efficiently. This is because a high voltage can be applied, electric field concentration easily occurs, and an element with low power consumption can be created.
また平均粒径の異なる数ナノ程度のシリカ微粒子を上記説明した構成に加えることにより自発光素子としても利用でき、上記に示した2種類の粒子に限定されるわけではない。複数種類の粒子径、材質などを加えることによりさまざまな電子デバイスとして上記原理を利用可能であることは容易に理解できるため、本発明の範囲に含まれる。 Further, by adding silica fine particles of about several nanometers having different average particle diameters to the above-described configuration, it can be used as a self-luminous element, and is not limited to the two types of particles described above. Since it can be easily understood that the above principle can be used as various electronic devices by adding plural kinds of particle diameters, materials, and the like, it is included in the scope of the present invention.
以下、上記に説明した電子放出の原理に基づいて、本発明の実施例について説明を行なっていく。 The embodiments of the present invention will be described below based on the principle of electron emission described above.
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4〜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
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
絶縁性部材を表面に付着させた金属微粒子6として、銀金属微粒子(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 metal fine particles (average diameter: 10 nm, of which an insulating coating alcoholate is 1 nm thick) were used as the
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の銀金属微粒子を追加投入し、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 metal fine particles are additionally charged, 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
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
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
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は、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、電子放出層のSEM写真を示す。図4によれば、アルコラート皮膜ナノ金属微粒子が、シリカ粒子に多数付着し、ほぼ均一な間隔で満遍なくシリカ粒子に点在し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。 FIG. 9 shows an SEM photograph of the electron emission layer for particles mixed at a ratio of 90% silica having the best electron emission performance. According to FIG. 4, it was observed that a large number of alcoholate-coated nanometallic fine particles adhered to the silica particles and were evenly scattered in the silica particles at almost 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.
この場合、絶縁皮膜金属微粒子が、絶縁体に均一に点在(分散)していることが好ましい。これは自己組織的な作用から絶縁皮膜金属微粒子が絶縁体にうまく分散していると考えられる。 In this case, the insulating coating metal fine particles are preferably scattered (dispersed) uniformly in the insulator. This is thought to be because the insulating coating metal fine particles are well dispersed in the insulator due to the self-organizing action.
均一に分散していない状態では、絶縁皮膜金属微粒子の凝集が発生し、この凝集が大きく形成している場合では、絶縁破壊を起こす可能性が高いからである。しかし、絶縁皮膜金属微粒子が小さな凝集体を形成している場合もあり、その場合も、絶縁破壊を起こさない程度の凝集体であれば、問題なく、本発明の範囲に含まれる。 This is because in the state where the particles are not uniformly dispersed, agglomeration of the insulating coating metal fine particles occurs, and when this agglomeration is large, there is a high possibility of causing dielectric breakdown. However, the insulating coating metal fine particles may form small aggregates. In such a case, any aggregate that does not cause dielectric breakdown is included in the scope of the present invention without any problem.
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 電子放出層
5 絶縁体の微粒子(絶縁性部材)
6 金属微粒子(絶縁皮膜金属微粒子)
7 電源(電源部)
8 対向電極
9 絶縁体スペーサ
1 Electron-emitting
3 Second conductive member (thin film electrode)
4 Electron emission layer
5 Insulator fine particles (insulating material)
6 Metal fine particles (insulating coating metal fine particles)
7 Power supply (power supply section)
8 Counter electrode 9 Insulator spacer
Claims (15)
前記第一の導電性部材と第二の導電性部材間に、電子を放出する電子放出層が形成され、電子放出層は3次元的に略均質に突起物が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-emitting layer that emits electrons is formed between the first conductive member and the second conductive member, and the electron-emitting layer has projections formed substantially uniformly in three dimensions. Electron-emitting device.
前記電子放出層は、3次元的に略均質に突起物を形成する工程を有する電子放出素子の製造方法。 The first conductive member and the second conductive member are formed so as to face each other. By applying a voltage between the conductive members, electrons are emitted from the electron emission layer sandwiched between the conductive members. A method of manufacturing an electron-emitting device to emit,
The electron emission layer is a method for manufacturing an electron emission element, comprising a step of forming projections substantially uniformly in three dimensions.
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