JP3907626B2 - 電子源の製造方法、画像表示装置の製造方法、電子放出素子の製造方法、画像表示装置、特性調整方法、及び画像表示装置の特性調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維を用いた電子放出素子の駆動方法及び電子源の駆動方法及び電子源の製造方法及び画像表示装置に関する。

ＦＥ型の電子放出素子の例としては、非特許文献１などに記載されている。

上記ＦＥ型の電子放出材料として、近年、カーボンナノチューブなどのナノサイズの直径を有する繊維状の炭素材料が注目されている。

カーボンナノチューブそのものは、例えば、非特許文献２に記載されている。炭素繊維の集合体については、例えば、特許文献１や非特許文献３に記載されている。

また、カーボンナノチューブをＦＥ型の電子放出素子の電子放出材料に用いることは、例えば、非特許文献４や、非特許文献５や、特許文献２乃至５等に記載されている。

一方、複数の炭素繊維の集合体を電子放出体として用いたＦＥ型電子放出素子の応用として、例えば、画像表示装置、画像形成装置、画像記録装置、荷電ビーム源等が研究されている。

特に電子放出素子の画像表示装置への応用としては、電子放出素子と電子ビームの照射により発光する蛍光体とを組み合わせて用いた画像表示装置が研究されている。

例えば、図２３にＦＥ型の電子放出素子を２次元的に多数個配列し、これらの素子をマトリクス状に配線したマルチ電子源を示す。

図２３中、４００１は電子放出素子、４００２は行方向配線、４００３は列方向配線を示している。行方向配線４００２及び列方向配線４００３は、実際には有限の電気抵抗を有するものである。しかし、図２３においては、それらの電気抵抗は配線抵抗４００４及び４００５として示されている。上述のような配線方法を、単純マトリクス配線と呼ぶ。尚、図示の便宜上、６×６のマトリクスで示しているが、マトリクスの規模はむろんこれに限ったわけではない。例えば画像表示装置用のマルチ電子源の場合には、所望の画像表示を行うのに足りるだけの１万乃至１千万個の素子を配列し配線するものである。
特開２０００−０９５５０９号公報 米国特許第５７７３９２１号明細書 米国特許第５８７２４２２号明細書 米国特許第５９７３４４４号明細書 特表２００３−５３６２１５号公報 Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．１２，ｐ．５２４８（１９７６） Ｎａｔｕｒｅ，３５４，（１９９１）５６ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７６，Ｎｏ．１７，ｐｐ．２３６７−２３６９（２０００） ＮＩＫＫＥＩ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ２００１．１２ ｎｏ．５６７ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ.８１，Ｎｏ．２，ｐｐ．３４３−３４５（２００２）

複数の炭素繊維の集合体を、１つのＦＥ型電子放出素子の電子放出材料として用い、この電子放出素子を駆動する場合、それぞれの炭素繊維の形状のばらつきによって、電子放出特性の時間的安定性が左右される。

一般に、直径が小さい炭素繊維には電界が集中しやすいため、大きな電子放出が得られる反面、時間の経過による劣化が大きい。炭素繊維の集合体を、電子放出材料として用いる場合、一定電圧駆動において、より細い繊維から時間的に劣化してゆき、集合体全体としての放出電流が小さくなってゆく。そのため、直径のばらついた炭素繊維の集合体の電子放出特性は不安定なものとなる。また、繊維の形状ばらつきは、時間的な駆動不安定だけでなく、炭素繊維を形成した面内での電子放出のばらつきの原因ともなる。

ここで、上記炭素繊維の集合体における、繊維形状のばらつきとは、集合体内の直径だけでなく、炭素繊維の長さや、グラファイトナノファイバーの一本を形成する積層した黒鉛シート一枚一枚の大きさ等、電子放出を伴う形状の全てのばらつきを指している。

しかしながら、炭素繊維の集合体における直径分布の狭域化が実現されても、炭素繊維の長さの不均一性、更には、炭素繊維を構成する黒鉛シートの一枚一枚のサイズ不均一性までは、充分に制御することは難しい。

上記炭素繊維の集合体を有する電子放出素子を画像形成装置に用いる場合、一つの電子放出素子において、均一で好適な明るさやコントラストを長時間にわたり維持することが求められる。

これを実現するためには、一つの電子放出素子から放出される電子量の時間的減少を抑え、期待される期間において一定量以上の電子放出を行うことが電子放出素子に求められる。

そのためには、電子放出の不均一の原因となる、炭素繊維の集合体における全ての炭素繊維の形状不均一を除外する必要がある。しかしながら、それら全てを、炭素繊維の集合体の製造段階で除外することは現在のところ困難である。
そのため、炭素繊維の集合体の電子放出特性を、簡便な手法で均一化できる技術が求められている。

一方、炭素繊維の集合体を電子放出体とした電子放出素子を多数配列した電子源においては、工程上の変動などにより、個々の電子放出素子の放出特性に多少のバラツキを生じる。その結果、これを用いて表示装置を作成した場合に、この特性のバラツキが輝度のバラツキとなって表れることがあった。

このように電子放出特性が電子放出素子毎に異なる理由としては、例えば電子放出体に用いた材料の成分のバラツキ、素子の各部材の寸法形状の誤差など種々の原因が考えられる。しかしながら、これら全ての原因を除去しようとすると非常に高度な製造設備や極めて厳密な工程管理が必要となり、これらを満足させると製造コストが莫大なものとなってしまう。

本発明は上記の従来技術の課題を鑑みなされたもので、その目的とするところは、炭素繊維の集合体を電子放出体に用いた電子放出素子を、安定に長時間駆動することが可能な電子放出素子の駆動方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的とするところは、炭素繊維の集合体を電子放出体に用いた電子放出素子を複数個配列した電子源において、各電子放出素子間の電子放出特性のバラツキを抑制する製造方法及び駆動方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的とするところは、炭素繊維の集合体を電子放出体に用いた電子放出素子を有し、各電子放出素子間の電子放出特性のバラツキを抑制する画像表示装置を提供することにある。

本発明に係る電子源の製造方法にあっては、
炭素繊維の集合体からなる電子放出体を有する陰極を備え、該陰極と該陰極に対向して配置された対向電極との間に駆動電圧を印加することで、前記電子放出体から電子を放出する電子放出素子が、基板上に複数配置されることで構成された電子源の製造方法であって、
各々が炭素繊維の集合体からなる電子放出体を有する複数の陰極と、該複数の陰極に対向する対向電極とを用意する工程と、
前記複数の陰極の各々と前記対向電極との間に所定の電圧を印加した際に放出される電子の量が相対的に少ない炭素繊維の集合体の電子放出特性と、前記所定の電圧を印加した際に放出される電子の量が相対的に多い他の炭素繊維の集合体の電子放出特性との差が低減するように、前記他の炭素繊維の集合体を有する陰極と前記対向電極との間に印加する印加電圧を、前記他の炭素繊維の集合体を有する陰極が経験した電圧の最大値よりも低い
電圧から前記他の炭素繊維の集合体の電子放出特性のＦ-Ｎプロットにおける傾きの絶対
値が減少に転じる電圧を越えた電圧まで、上昇させていく工程と、を有することを特徴とする。

上記方法によれば、複数の電子放出素子を備えた電子源において、均一性の高い電子放出特性を得ることができる。

前記Ｉ−Ｖ特性は、１／Ｖ対ｌｏｇ（Ｉ／Ｖ^２）の関係が略線形である低電圧領域において、前記１／Ｖ対ｌｏｇ（Ｉ／Ｖ^２）の関係における傾きと切片であることが好適である。

また、本発明に係る電子放出素子の製造方法にあっては、
複数の炭素繊維を有する陰極と該陰極に対向して配置された対向電極を備える電子放出素子の製造方法であって、
複数の炭素繊維を有する陰極と、該陰極に対向する対向電極とを用意する工程と、
前記陰極と前記対向電極との間に印加する印加電圧を、前記陰極が経験した電圧の最大値よりも低い電圧から電子放出特性のＦ-Ｎプロットにおける傾きの絶対値が減少に転じ
る電圧を越えた電圧まで、上昇させていく工程と、
を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る調整方法にあっては、
複数の炭素繊維を有する陰極と該陰極に対向して配置された対向電極を備える電子放出素子の電子放出特性を調整する特性調整方法であって、
前記陰極と前記対向電極との間に印加する印加電圧を、前記陰極が経験した電圧の最大値よりも低い電圧から電子放出特性のＦ-Ｎプロットにおける傾きの絶対値が減少に転じ
る電圧を越えた電圧まで、上昇さていく工程、を備えることを特徴とする。

本発明に用いられる前記炭素繊維の集合体は、グラファイトナノファイバーの集合体、カーボンナノチューブの集合体、または、グラファイトナノファイバーとカーボンナノチューブとが混合された集合体であることが好適である。

上記方法によれば、マルチ電子源において、均一な素子特性を簡便に得ることができる
。

本発明によれば、炭素繊維の集合体を電子放出体に用いた電子放出素子を、安定に長時間駆動することが可能となる。また、炭素繊維の集合体を電子放出体に用いた電子放出素子を複数個配列した電子源において、各電子放出素子間の電子放出特性のバラツキを抑制することが可能となる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の大きさ、材質、形状、その相対位置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明による電子放出素子の駆動方法を説明するための図である。図１は、炭素繊維の集合体が配置されている陰極（カソード電極）と該陰極に対向して配置された対向電極との間に駆動電圧Ｖｆを印加した時に、炭素繊維の集合体から放出する電子の量（放出電流）Ｉｅとの関係（Ｉ−Ｖ特性）を片対数グラフで示している。尚、本発明における「対向電極」とは、炭素繊維の集合体から電子を放出させるための電位が印加される電極を指す。また、本発明における「炭素繊維の集合体」とは、複数の炭素繊維だけで構成される部材、および、複数の炭素繊維と他の部材とを含む部材（例えば複数の炭素繊維と触媒粒子から構成される部材、複数の炭素繊維と接着剤とから構成される部材など）をも含む。従って、本発明における「炭素繊維の集合体からなる電子放出体」とは、少なくとも「複数の炭素繊維を含む電子放出体」と換言することもできる。

本発明の一実施形態は、駆動開始まで（典型的には製造時）において、電子放出素子の陰極と対向電極との間に印加された最大電圧を最大印加電圧Ｖｍａｘとした時、電子放出素子を駆動する際（典型的には製造後）においては、陰極と対向電極との間に前記最大印加電圧Ｖｍａｘより小さい駆動電圧Ｖで駆動する。このようにすれば電子放出特性の経時変化を抑えることができる。

本発明は後述するような実験で得られた知見をもとになされたものであり、本発明を理解しやすくするために、まず、その実験について述べる。

（実験１）
図２は本発明に用いられる電子放出素子の一例を示す模式図である。

図２に示すように、真空容器９７の内部には、陰極基板９２が配置されている。陰極基板９２表面には、電子放出素子を構成する炭素繊維の集合体９４が載置された陰極電極（カソード電極）９３が設けられている。また、陰極電極９３に対向する位置に配置された陽極基板９６表面には、炭素繊維の集合体９４から放出された電子を受け取る陽極電極（アノード）９５が、対向電極として設けられている。陰極電極９３と陽極電極９５との間には電圧源９１により所定の電圧が印加可能に構成されている。尚、真空容器９７は、その内部を排気するための排気係９８を備えている。

図２に示すような陰極基板９２、陽極基板９６としては、例えばガラス基板（ＰＤ２００、旭硝子株式会社製）を用いることができる。また、陰極電極９３をＴｉＮ薄膜で、陽極電極９５をＩＴＯ薄膜で作製することができる。

上記した炭素繊維の集合体は、例えば図３に示すようにして形成することができる。図
３において、１０１は陰極電極（カソード電極）、１０２は陰極基板、１０３は触媒微粒子、１０４は炭素繊維の集合体である。以下に、その製造方法の一例を詳述する。

まず、イオンビームスパッタリング法により、陰極基板１０２表面に厚さ１００ｎｍのＴｉＮ薄膜１０１を作製する（図３（ａ））。次に、ＲＦスパッタリング法により、ＴｉＮ薄膜１０１上に炭素繊維の成長を促進する触媒微粒子１０３を作製する。（図３（ｂ））。触媒微粒子１０３としては、パラジウム、コバルト、鉄、ニッケルあるいは、前記２つ以上の合金を用いることができる。触媒微粒子１０３が配置された陰極基板１０２を炉に入れ、水素ガス雰囲気中で加熱することで、触媒微粒子１０３を還元処理する。その後、炭化水素ガスを混合した水素ガス雰囲気中で陰極基板を熱することで、炭素繊維の集合体１０４を陰極電極上に生成させることができる（図３（ｃ））。炭化水素ガスとしては、例えば、メタン、エチレン、アセチレン、一酸化炭素、二酸化炭素を用いることができる。炭素繊維の集合体１０４を生成させられる基板加熱温度は４５０℃から８００℃であるが、ここでは陰極基板１０２の歪み点（５７０℃）以下で加熱する。

こうして作製される陰極上の炭素繊維の集合体１０４をＳＥＭで観察すると、太さ（直径）が５〜６０ｎｍであり、炭素繊維の集合体の膜厚が０．３μｍ〜１５μｍとなることが分かる。また、ラマン解析によると、１５８０ｃｍ^−１付近と、１３４０ｃｍ^−１付近に、グラファイトに特徴的な振動が観察される。また、ＴＥＭ観察によると、炭素繊維の長さ方向に、グラフェンが積層した構造となっており、グラファイトナノファイバーと呼ばれる炭素繊維であることが確認できる。

こうして作製される炭素繊維の集合体９４を、図２に示すように、陰極電極９３上に配置し、陰極電極９３と陽極電極９５との間には、その間隔を維持するためのスペーサ（不図示）を配置する。そして、真空容器９７内をターボ分子ポンプ、ドライポンプ、及びイオンポンプを用いて排気する。尚、図２中、符号９２は陰極基板であり、符号９６は陽極基板である。

そして、陰極電極９３と陽極電極９５との間の印加電圧の上昇及び下降を繰り返す。但し、このときに、電圧を上昇させた後に電圧を下降させる工程を１回のサイクルとして、各回毎の電圧上昇時に陽極電極９５と陽極電極９５との間に印加する最大電圧値を上昇させながら電子放出させる。その際に得られるＩ−Ｖ特性を図４に示す。横軸は印加電圧、縦軸は放出電流の対数表示である。

図４中における、それぞれの曲線（番号１から４）は、電圧印加の回数を示している。つまり、例えば１回目の電圧印加においては、図４中の点Ａにおける電圧から点Ｂにおける電圧まで電圧を上昇させ、その後点Ｃにおける電圧まで電圧を下降させた際の放出電流と印加電圧の関係を表すものである。同様に、例えば、２回目の電圧印加（上記１回目の電圧印加後）においては、図４中の点Ｃにおける電圧から点Ｂにおける電圧を通り更に点Ｄにおける電圧まで電圧を上昇させ、その後点Ｅにおける電圧まで電圧を下降させた際の放出電流と印加電圧の関係を表すものである。

図４から分かるように、２回目以降の電圧印加における電圧上昇過程において、Ｉ−Ｖ曲線に折れ曲がり点（例えば２回目の電圧印加時には点Ｂ、３回目の電圧印加時には点Ｄ、４回目の電圧印加時には点Ｆ）が発生する電圧がある。そして、一度折れ曲がり点まで電圧を上昇させた後は当該折れ曲がり点における電圧以下の電圧を陰極電極９３と陽極電極９５との間に印加している場合のＩ−Ｖ曲線（これを第１の曲線と呼ぶ）と、折れ曲がり点における電圧以上の電圧を上昇させ続けながら陰極電極９３と陽極電極９５との間に印加している場合のＩ−Ｖ曲線（これを第２の曲線と呼ぶ）との２種類の曲線によって、各回におけるＩ−Ｖ曲線が構成される。つまり、図４において、Ｂ-Ｃ曲線、Ｄ-Ｅ曲線、
Ｆ-Ｇ曲線はそれぞれ第１の曲線に相当し、Ｂ-Ｄ曲線、Ｄ-Ｆ曲線はそれぞれ第２の曲線
に相当する。尚、Ａ-Ｂ曲線は、それ以前に電圧を印加していなかったため、第２の曲線
に相当すると言うこともできる。また、前記第２の曲線は、図４に示すように、ほぼ連続した曲線となる。

ここで、ｎ回目（ｎは２以上の整数）の電圧印加において、印加される電圧が第２の曲線に到達するまで（各回における折れ曲がり点に到達するまで）の電圧範囲では、ｎ-１
回目の電圧下降時の曲線と、ｎ回目の電圧印加における電圧上昇時の曲線とが、ほぼ同一となる（ほぼ重なる）。このことは、第２の曲線に到達するまでの電圧範囲において、Ｉ−Ｖ曲線に再現性があり、第２の曲線に到達した後更に電圧を上昇させることによって、Ｉ−Ｖ曲線の再現性が破られる（Ｉ-Ｖ曲線がシフトする）ことを示している。

更に、重要なことは、ｎ回目（ｎは２以上の整数）の電圧を印加した後に得られる第１の曲線（例えば図４における２回目の電圧印加後に得られる再現性のあるＩ-Ｖ曲線であ
るＤ-Ｅ線）においては、ｎ-１回目の電圧を印加した後に得られる第１の曲線（例えば図４における１回目の電圧印加後に得られる再現性のあるＩ-Ｖ曲線であるＢ-Ｃ線）に比べて、放出電流量の再現性が得られる範囲が拡大されているので、より高い放出電流が得られることである。

上記性質をまとめると、次のように言い換えることができる。すなわち、複数の炭素繊維からなる膜（複数の炭素繊維の集合体）による電子放出特性は、典型的には、複数の炭素繊維からなる膜が経験した最大印加電圧Ｖｍａｘ（例えば、図４においては、１回目の電圧印加時においては点Ｂにおける印加電圧値、２回目の電圧印加時においては点Ｄにおける印加電圧値、３回目の電圧印加時においては点Ｆにおける印加電圧値に相当する）に依存し、Ｖｍａｘを上昇させることで、Ｉ−Ｖ特性が変化（シフト）する。そして同時に、変化したＩ−Ｖ特性は、より高い最大放出電流をもたらす。

図５は、図４に示したＩ−Ｖ曲線に対応するＦ−Ｎ（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）プロットを示す。図５におけるＡ〜Ｇは、図４のＡ〜Ｇにそれぞれ対応する。各駆動回におけるＩ−Ｖ曲線の折れ曲がりに対応して、Ｆ−Ｎプロットにおいても折れ曲がり（点Ｂ、点Ｄ、点Ｆ）が存在することが分かる。図５から、各回の電圧印加における電圧下降過程における傾き（例えば１回目においては線Ｂ-Ｃ）を見ると、電圧印加回数の増加と
ともに、傾きが負の方向へ増大していることが分かる。

この傾きと１／Ｖａ切片から電子放出面積αを求めることができ、また、傾きから電界増強因子βを求めることができる。このＦ−Ｎプロットから、各回の電圧印加の際の電圧下降過程において、電界増強因子βと電子放出面積αを算出すると、印加する電圧の最大値を各回毎に上昇させる電圧印加を行うと、電圧印加回数の増加とともに、βは減少し、αは増大していく傾向がある。

この事実は次のことを示している。すなわち、上記曲線２に対応する曲線上に、（Ｖ，Ｉ）を一致させようとする場合、すなわち、Ｖｍａｘを上昇させていく時、それまで複数の炭素繊維からなる膜（炭素繊維の集合体）が保持していた電界増強因子βの値が減少すると共に電子放出面積αの値が増大する。このことは、Ｖｍａｘを上昇させることで、出力電流（放出電流Ｉｅ）のダイナミックレンジを広げることができることを意味している。

また、複数の炭素繊維からなる膜内の電子放出点は、Ｖｍａｘの上昇とともに、電子放出点が増えてゆく傾向がある。一方、Ｖｍａｘを固定して電圧を変化させた場合（ｎ回目以降の駆動時に、１回目からｎ回目において印加した最大電圧値以下の範囲の電圧を印加
する場合）には、電子放出点の場所は、本質的には、変化せず、電子放出点からの電子放出量が、電圧の昇降に伴って増減するのみである。このことは、Ｖｍａｘ上昇によって、電子放出に寄与する箇所が選択されると共に、その箇所が増大し、Ｖｍａｘ固定（ｎ回目以降の駆動時に、１回目からｎ回目において印加した最大電圧値以下の範囲の電圧を印加する場合）では、電子放出点が保存されることを意味する。すなわち、Ｖｍａｘを上げることが、電子放出点の破壊を伴っていること、そして新たな電子放出点の生成を伴っていることを意味していると考えられる。

以上詳述したとおり、この実験１によって、Ｖｍａｘを適当な値に設定する制御を行うことによって、所望のＩ−Ｖ曲線を得ることができることを見出し、本発明を為すに至ったのである。

以下に本発明の実施形態例を具体的に説明する。実施形態１及び２では、上述した実験１で示した炭素繊維の集合体に特有な特性（Ｖｍａｘ依存性）を用いた電子放出素子の駆動方法を示す。尚、実施形態１は２端子構造の電子放出素子の駆動方法を示しており、実施形態２は３端子構造の電子放出素子の駆動方法を示している。そして、実施形態３は、上述したＶｍａｘ依存特性を用いて、複数の電子放出素子を有する電子源並びに画像表示装置において、当該複数の電子放出素子間の特性差を低減する、製造方法を示している。

（実施形態１）
本発明の実施形態１による電子放出素子の駆動方法は、図１、図２に示したような形態であり、電子放出素子として、陰極（カソード電極）と、陰極の上方に距離Ｈだけ離れた陽極（アノード電極）とをもつ２端子構造の電子放出素子を用いるものである。

つまり、本実施形態の電子放出素子は、図２に示すように、電子放出素子を構成する炭素繊維の集合体９４が形成された陰極電極９３と、それに対向する位置に配置された対向電極（陽極電極）９５との間に電圧源９１により所定の電圧Ｖａが印加可能に構成されている。そして、本実施形態の電子放出素子の駆動方法は、駆動を開始しようとする時まで（典型的には製造時）に陰極電極９３と対向電極９５との間に印加された最大電圧、つまり炭素繊維の集合体９４が経験した最大印加電圧Ｖｍａｘよりも小さい駆動電圧Ｖ（電子放出素子を駆動するための電圧）を、陰極電極９３と対向電極（陽極電極）９５との間に印加することにより電子放出素子の駆動を行うものである。

本発明の第１の実施形態における駆動方法を換言すれば、駆動時に陰極電極９３と陽極電極９５との間に印加される電圧よりも高い電圧を、製造時に、陰極電極９３と該陰極電極９３の上方に距離Ｈだけ離れた位置に配置された導電体との間に、少なくとも１回印加しておくものである。更に、換言すれば、駆動時に陰極電極９３と陽極電極９５との間に印加される電界強度よりも高い電界強度を、製造時に、陰極電極９３と該陰極電極９３の上方に配置された導電体との間に、少なくとも１回印加しておくものである。また、更に、換言すれば、駆動時に陰極電極９３と陽極電極９５との間に生じる放出電流よりも高い放出電流を、製造時に、陰極電極９３の上方に配置された導電体に電圧を印加する（駆動時の電場と略相似の電場を形成する）ことで、炭素繊維の集合体９４から少なくとも１回生じさせておくものである。

そして、この駆動方法は、前述した電子放出素子が複数マトリクス状に配置された電子源の駆動方法にも適用可能である。その場合には、各電子放出素子毎に、駆動電圧ＶとＶｍａｘが前述した関係を満足するように設定するとよい。

また、図２に示す陰極電極９３、対向電極９５に加えて、複数の炭素繊維の集合体９４から対向電極９５に向かう電子放出量を制御するための制御電極を設ける場合もある（図
２６参照）。この場合は、後述する実施形態２で説明する３端子構造の電子放出素子に含まれる。しかし、この実施形態１で説明する例においては、対向電極９５と陰極電極９３との間の電圧で生じる電界強度は炭素繊維から電子を引き出すために必要な電界強度以上に設定される。そのため、制御電極は、対向電極９５と陰極電極９３との間の電圧で生じる電界強度を弱める働きを担う。そして制御電極は、典型的には、炭素繊維からの電子放出を止める働きを担うことになる。このような素子においても、駆動時における駆動電圧Ｖを、前述したＶｍａｘ以下の範囲に設定することで、再現性の高い電子放出を得ることができる。

（実施形態２）
本実施形態の電子放出素子を図６及び図７を用いて説明する。本実施形態における電子放出素子は、所謂３端子構造の電子放出素子である。尚、図７は、本実施形態の電子放出素子を駆動させた際の様子を示す断面模式図であり、図６は、陰極電極１３とゲート電極１２の部分を説明するための平面模式図（図６（ａ））と、図６（ａ）のＡ−Ａ’間断面模式図（図６（ｂ））である。

ゲート電極１２と陰極電極１３とが、基板１１上において、間隔を置いて配置される。そして、陰極電極１３上に配置された炭素繊維の集合体１４の先端（符号６４で表記）は、ゲート電極１２の表面よりもアノード電極６２（図７参照）に、より近くに位置する。

この例においては、炭素繊維の集合体１４からの電子放出は、ゲート電極１２とカソード電極との間に電位を印加することで始めて行われるタイプの電子放出素子である。つまり、アノード電極の電位は、炭素繊維の集合体１４からの電子放出自体には実質的に寄与しないタイプの電子放出素子の例である。そのため、本実施形態例では、ゲート電極１２が、本発明における対向電極に相当する。

図６（ａ）、（ｂ）において、符号１１は絶縁性基板（陰極基板）であり、符号１２はゲート電極（引き出し電極）であり、符号１３は陰極電極（カソード電極）であり、符号１４は炭素繊維の集合体、を示している。

図７は本実施の形態に係る電子放出素子を駆動した際に、炭素繊維の集合体１４から放出された電子が陽極（アノード電極）６２に向かう様子を説明するための模式図である。

図７に示した例においては、陰極電極１３とゲート電極１２との間隔ｄを例えば数μｍ〜数十μｍに設定すると共に、真空排気装置６５によって１０^−４Ｐａ程度に到達するまで十分に排気された真空装置６０内に配置される。真空装置６０内には、絶縁性基板１１から１〜９ｍｍの高さＨの位置に陽極（アノード）６２を有する基板６１が設けられており、高電圧電源（第２の電圧印加手段）により例えば１〜１０キロボルトの高電圧Ｖａが陽極電極６２に印加される。

そして、本実施形態の電子放出素子の駆動においては、陽極電極６２に電圧Ｖａを印加した状態で、陰極電極１３とゲート電極１２との間に、図示しない電源（第１の電圧印加手段）により駆動電圧Ｖｆとして数十Ｖ程度からなるパルス電圧を印加する。その結果、陰極電極１３とゲート電極１２との間に形成された電界を主要因として炭素繊維の集合体１４から電子が放出され、放出された電子が、陽極電極６２に到達する。そして、本実施形態の電子放出素子の駆動方法も、実施形態１と同様に、駆動時までに陰極電極１３と対向電極との間に印加された最大電圧、つまり炭素繊維の集合体１４が経験した最大印加電圧Ｖｍａｘ以下の電圧（電子放出素子を駆動するための電圧）を、陰極電極１３と対向電極との間に印加することで駆動するものである。

また、本発明の第２の実施形態における駆動方法を換言すれば、駆動時に陰極電極１３とゲート電極１２との間に印加される電圧よりも高い電圧を、駆動よりも前（典型的には製造時）に、陰極電極１３とゲート電極１２との間に、少なくとも１回印加しておくものである。更に、換言すれば、駆動時に陰極電極１３と陽極電極６２との間に印加される電界強度よりも高い電界強度を、駆動よりも前（典型的には製造時）に、陰極電極１３とゲート電極１２との間に、少なくとも１回印加しておくものである。また、更に、換言すれば、駆動時に陰極電極１３と陽極電極６２との間に生じる放出電流よりも高い放出電流を、駆動よりも前（典型的には製造時）に、陰極電極１３とゲート電極１２との間に電圧を印加する（駆動時の電場と略相似の電場を形成する）ことで、少なくとも１回生じさせておくものである。

尚、炭素繊維の集合体１４から電子放出させるために必要な電界強度が、低い場合などにおいては、前記ゲート電極１２と陰極電極１３との間で形成される電界の作用だけでなく、アノード電極６２と陰極電極１３（及びゲート電極）との間で形成される電界の作用も加わって電子放出が行われる場合がある。そのため、このような場合においては、より詳細に述べると、アノード電極６２とゲート電極１２とを一つの電極と見なし、これが本発明の対向電極に相当する。

しかしながら、典型的には、炭素繊維の集合体１４からの電子を引き出す役割を実質的に担う電極（陰極以外の電極）があるのであれば、その電極が前述した対向電極と考えて差し支えない。

尚、本実施形態２の電子放出素子の駆動時において、電極１２、１３間を流れる素子電流をＩｆ、炭素繊維の集合体１４から放出され陽極電極６２に到達する放出電流をＩｅとして示すと、Ｉｆ＜＜Ｉｅとなる。

本実施形態２の電子放出素子の駆動時において、電子放出素子の周囲の等電位線６３は、図７の点線で示されるように形成される。そして、最も電界の集中する点は、炭素繊維の集合体１４において、最もアノード電極６２に近く、かつ、陰極電極１３とゲート電極１２とのギャップに最も近い場所である点６４となると考えられる。そして、この電界が最も集中されると考えられる点６４の近傍が、電子が放出される主要部分と考えられる。尚、図２を用いて説明した実施形態１の電子放出素子の場合には、最も電界の集中する点は、炭素繊維の集合体１４のアノード電極９５と対向する表面または、炭素繊維の集合体１４の外周部であると考えられる。

図８は、本実施形態２に係る電子放出素子のＶｆ−Ｉｅ特性を示すグラフである。尚、図８におけるＶｔｈは、陰極電極１３とアノード電極６２との間に電圧Ｖａを印加した状態のもとで、陰極電極１３とゲート電極１２との間に印加する電圧を徐々に上昇させていった際に、放出電流Ｉｅが観測され始める電圧である。尚、実施形態１の電子放出素子における、Ｖｆ−Ｉｅ特性を示すグラフも、図８と同様となる。但し、実施形態１の場合は、上記Ｖｔｈは、陰極電極９３とアノード電極９５との間に印加する電圧を徐々に上昇させていった際に、放出電流Ｉｅが観測され始める電圧に相当する。

図９は、図８のグラフの縦軸であるＩｅを対数表記（ｌｏｇ（Ｉｅ））した際の、Ｖｆ＞Ｖｔｈの領域における、Ｖｆ−Ｉｅ特性を表したものである。従って、実施形態１の電子放出素子においても図９と同様の特性を示す。

ここで、金属の先端から真空への電界放出において、その放出電流密度は、ポアソン方程式によって導かれるエミッター先端部の電界と、エミッター部の仕事関数をパラメーターとしてＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式と呼ばれる関係式に従うことが知られてい
る。このＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式からは、ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）と１／Ｖｆが線形の関係にあることが導かれ、その直線の傾きからは電界強度因子等が得られる。

このことから、ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）を縦軸に設定し１／Ｖｆを横軸に設定したグラフに、実際の電子放出特性をプロット（Ｆ−Ｎプロットと呼ぶ）すると、その得られたグラフが線形の関係に従うか否かを判断することによって、電流と電圧の関係が電界放出に依存して得られたものであるか否かを判断することができる。

しかしながら、本発明のように、電子放出素子の電子放出部が炭素繊維の集合体である場合においては、駆動電圧Ｖｆの上限値によっては、必ずしも一つの線形関係に従わない（上記Ｆ-Ｎプロットのグラフに現れる線の傾きが一定にならない）ことがある。

図１０は、上述の図９に示す本実施の形態に係る炭素繊維の集合体における電子放出特性について、ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）と１／Ｖｆのプロットを示した図である。図１０に示すように、放出電流を伴う電圧範囲Ｖｆ＞Ｖｔｈにおいては、１／Ｖｆに対するｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）の振る舞いに応じて、以下の２つの領域に分割される。
すなわち、
１． 低電圧領域：略線形に振る舞う領域
２． 高電圧領域：低電圧領域における変化量の絶対値と比較して、小さい絶対値の変化量で振る舞う領域。

ここで、上記２つの領域には、図１１に示す以下の特徴がある。図１１は低電圧領域と高電圧領域の駆動電圧を印加した場合の、放出電流Ｉｅの時間変化を表したものである。

すなわち、低電圧領域における電子放出素子の一定電圧の駆動においては、数十時間程度の駆動では、１％以下の放出電流の劣化で済み、電子放出特性にほぼ変化なく、再現性が高い。

しかしながら、高電圧領域における電子放出素子の一定電圧の駆動においては、放出電流の減衰が激しく、数十分程度の駆動で、１０％以上の放出電流の減少を生じる。

図８、図９及び図１０に示される電子放出特性は、印加電圧の単調増加によって得られる曲線を示した。

また、電子放出特性の不可逆性を詳しく説明するため、３つの駆動電圧Ｖ_ｆ１，Ｖ_ｆ２，Ｖ_ｆ３についてＶ_ｆ２＞Ｖ_ｆ１及びＶ_ｆ２＞Ｖ_ｆ３として、電圧と電流を、（Ｖ_ｆ１，Ｉ_ｅ１），（Ｖ_ｆ２，Ｉ_ｅ２），（Ｖ_ｆ３，Ｉ_ｅ３）の順に増減させた場合に、Ｖｆとｌｏｇ（Ｉｅ）の関係において辿る曲線を図示すると、前述した図１と同様になる。

また、図１におけるデータのプロットを変更して、１／Ｖｆとｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）の関係（Ｉ−Ｖ特性）において辿る曲線を図示すると図１２のようになる。

例えば、駆動電圧Ｖ_ｆ１、電流Ｉ_ｅ１で駆動していた電子放出素子において、この
駆動電圧を上昇させると、Ｉ−Ｖ特性は途中で折れ曲がる。

この折れ曲がる点における電圧までが初期の低電圧領域であり、この領域のＩ−Ｖ特性は再現性がある。

この電圧を過ぎると初期の高電圧領域に入り、このまま駆動電圧を上昇させていくと、図示したような片上がりのＩ−Ｖ特性を呈する。

ここで、電圧の上昇を、駆動電圧Ｖ_ｆ２、電流Ｉ_ｅ２の点Ｐ２で止める。次に、駆動電圧Ｖ_ｆ２より低い電圧値で電子放出素子を駆動すると、そのＩ−Ｖ特性は、点Ｐ１〜Ｐ２までの屈曲点を経た曲線となることはなく、点Ｐ３〜点Ｐ２までの曲線に示すＩ−Ｖ特性となる。この点Ｐ３〜点Ｐ２まで示すＩ−Ｖ特性は印加電圧が駆動電圧Ｖ_ｆ２を越えない限り再現性がある。

その後、更に印加電圧を駆動電圧Ｖ_ｆ２を越えて上昇させると、Ｐ２を屈曲点とするＩ−Ｖ特性を示すことになる。

このように、炭素繊維の集合体を有する電子放出素子は、履歴上の最大印加電圧が大きくなる度に、Ｉ−Ｖ特性が変化する。しかし、最大印加電圧を越えない限り、そのＩ−Ｖ特性は実質的に変化しない。

以上をまとめると、初期の低電圧領域と高電圧領域とを隔てる閾値電圧は、最大印加電圧の上昇とともに移動し、過去に経験した最大印加電圧をＶ_ｆ２とすると、点Ｐ２を境にＶ_ｆ２駆動後の低電圧領域と高電圧領域とが生じることになる。

すなわち、過去の最大印加電圧を更新するように、印加電圧の上昇と下降を繰り返す度に、電子放出特性が変化し、電子放出閾値だけでなく、低電圧領域、高電圧領域を分ける特性の折れ曲がりが不可逆的に変化することになる。よって、過去の印加電圧の履歴が分からない場合には、屈曲点が現れるまで、印加電圧を徐々に上昇させ、その後、最大印加電圧を越えない範囲から駆動電圧を選択して、電子放出素子を駆動することが好ましい。

こうして、本発明の炭素繊維を用いた電子放出素子においては、その特性について次の特徴がある。すなわち、一度高電圧領域における電圧を経験したならば、もはや元の低電圧領域にもどることは不可能であるが、新しく変更された低電圧領域は、高電圧領域で経験した電圧値に対応する電流値までに、電流範囲が拡大される。

つまり、図１及び図１２を用いて説明すると、駆動電圧Ｖ_ｆ１から高電圧領域に入り、駆動電圧Ｖ_ｆ２を経験した後に得られる低電圧領域の上限は、Ｖ_ｆ２であり、この領域の上限に対応する電流値はＩ_ｅ２である。

一旦Ｖｆ_２の駆動を経験すると、図１に示すように、新たな低電圧領域が決定される。ここで、Ｖｆ_２駆動経験後の低電圧領域の上限はＶｆ_２であり、それに対応する電流Ｉ_ｅ２までに、低電圧領域における電流範囲が拡大される。

実際に、電子放出素子を様々な用途に用いる場合には、駆動時における印加電圧によって再現性良く放出電流を制御できなければならない。そのためには、再現性があり、ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖ_ｆ ^２）と１／Ｖｆのプロット（Ｆ−Ｎプロット）で見た場合に、略線形関係がある低電圧領域で駆動することが望まれる。従って、低電圧領域において出力できる電流範囲が、電子放出素子のダイナミックレンジである。

このことは、Ｖｆ_２を印加することによって、初期と比較して、電子放出素子のダイナミックレンジを広範囲化することができることを示している。

すなわち、低電圧領域内の駆動においては、電子放出特性の不可逆変化は実質ないか、若しくは、ほぼ無視できるが、上記高電圧領域における駆動においては、炭素繊維の集合体における局所的な形状または／及び電子放出特性の無視できない程度の不可逆変化がおこると考えられる。

このような特性のため、表示などの実用上の駆動時のように、長時間の電子放出素子の駆動に際し、高電圧領域において電子放出素子を駆動することは、電流劣化を起こすため、好ましくない。

従って、安定な放出電流を維持するためには、上述したように、最大印加電圧Ｖｍａｘより小さい低電圧領域において駆動することが好ましい。

また、もし、表示などの実用上の駆動の際に、目的とする駆動電流値が、低電圧領域の上限以上にある場合には、前述の本発明の駆動方法とは逆に、目的とする駆動電流値が得られる高電圧領域内の電圧以上の電圧を一旦印加することが好ましい。つまり、履歴上の最大印加電圧よりも高い電圧（Ｖｍａｘ）を印加し、電子放出素子のダイナミックレンジを広範囲化させた後、上記Ｖｍａｘより小さい駆動電圧で電子放出素子を駆動するようにする。

このようにすることで、新たに得られる低電圧領域に対応する電流範囲が、目的とする駆動電流以上の領域まで拡大することができる。そのため、より時間的に安定な駆動状態が実現可能な低電圧領域において、目的とする駆動電流により電子放出素子の駆動が可能とすることができる。

後述する本発明の実施形態３は、炭素繊維の集合体の電子放出特性をシフトさせ得ることを利用して、複数の電子放出素子間の電子放出特性差を低減し、その結果、均一性の高い電子源を提供するものである。

ここで、本発明に用いられる電子放出素子の製造方法の一例を以下に説明する。尚、ここでは、上述した実施形態２において説明した、図６に示すような、横型の電子放出素子の例を説明する。しかしながら、本発明は、図２６に示すような所謂、縦型の電子放出素子に用いることもできる。尚、縦型の電子放出素子に比べ、横型の電子放出素子の方が、製造が簡易であると共に、駆動時の容量成分が少ないため、高速駆動ができるので好ましい形態である。

また、「横型の電子放出素子」とは、基板の表面と実質的に平行な方向に電界を形成し、この電界によって炭素繊維の集合体から電子を引き出す形態の電子放出素子を指す。一方「縦型の電子放出素子」とは、基板表面に対し実質的に垂直な方向に電界を形成し、この電界によって炭素繊維の集合体から電子を引き出す形態の電子放出素子を指す。所謂スピント型の電子放出素子が縦型の電子放出素子に含まれる。

また、図２６に示した縦型の電子放出素子では、陰極電極１１３と制御電極１１２を含むもの（アノード電極１１６を含めてトライオード（３端子）構造と呼ばれる）であるが、炭素繊維の集合体１１５は低い電界強度で電子放出することが可能なので、図２６における制御電極１１２、絶縁層１１４を省いた構造の縦型の電子放出素子（図２参照）にも本発明は適用可能である。即ち、基板１１１上に配置されたカソード電極１１３と、その上に配置された炭素繊維の集合体１１５とで電子放出素子を構成したもの（アノード電極１１６を含めるとダイオード（２端子）構造と呼ばれる）にも本発明は適用できる（図２参照）。

また、上記トライオード構造においては、図２６に示しているように、制御電極１１２が所謂ゲート電極（炭素繊維の集合体１１５から電子を引き出すための電極）として機能する場合もあるが、炭素繊維の集合体１１５は低い電界強度で電子放出することが可能なので、炭素繊維の集合体１１５からの電子の引き出しはアノード電極１１６が行い、制御
電極１１２は、炭素繊維の集合体からの電子放出量の変調や電子放出の停止あるいは放出される電子ビームの収束などの整形を行うために用いられる場合もある。このような場合は、アノード電極１１６が対向電極となる。

以下の例はあくまで一例であり、本発明の製造方法が以下の例に限られるものではない。また、以下の例では、図６、７で示した３端子構造の電子放出素子の製造例を挙げる。

（工程１）まず、絶縁性基板１１として、石英ガラスや、ＰＤ２００ガラスや、Ｎａ等の不純物含有量を減少させＫなどに一部置換したガラスや、青板ガラスや、シリコン基板等にＳｉＯ_２を積層した積層体や、アルミナ等のセラミックスなどから選択された基板を、その表面を十分に洗浄して用意する。

（工程２）ゲート電極１２及び陰極電極（制御電極）１３を、蒸着法、スパッタ法等の一般的成膜技術、及びフォトリソグラフィー法などの一般的なパターニング技術により、絶縁性基板１１上に形成する。ゲート電極１２及び陰極電極１３の材料は、例えば、金属、金属の窒化物、金属の炭化物、金属のホウ化物、半導体、半導体の金属化合物から適宜選択される。ゲート電極１２及び陰極電極１３の厚さとしては、所望の抵抗値の範囲内に設定できれば良いが、例えば１０ｎｍ〜１００μｍの範囲で設定される。

特に、後述する、触媒を用いて炭素繊維をＣＶＤ成長させる場合は、炭素繊維の成長を安定にするために、陰極電極１３と炭素繊維との間に、金属窒化物の膜を配置することが好ましい。金属窒化物としては、例えばＴｉＮを用いることが好ましい。

（工程３）陰極電極１３上に、炭素繊維の集合体１４を配置する。炭素繊維としては、好ましくはグラファイトナノファイバーを用いる。グラファイトナノファイバーとしては、プレートレット型、ヘリングボーン型などや、または、それらが混合された形態を用いることができる。

以上の工程により、炭素繊維の集合体を有する電子放出素子を形成することができる。そして、実際の駆動時においては、前述した、Ｖmax以下の電圧範囲で駆動することで再
現性の高い電子放出特性を得ることができる。

因みに、本発明に用いることができる炭素繊維としては、グラファイトナノファイバーの他に、カーボンナノチューブや、カーボンナノチューブの先端が閉じたカーボンナノホーンや、アモルファスカーボンファイバーなどを用いることができる。基本的に、本発明に用いることのできる炭素繊維は、導電性である。また、これらの炭素繊維はいずれもその直径がナノオーダー（１nm以上１０００nm未満であり、好ましくは５nm以上１００nm以下）のものであることが好ましい。

上記炭素繊維の形態の一例を図２４、図２５に示す。各図において、（ａ）は光学顕微鏡レベル（〜１０００倍）で見える形態、（ｂ）は（ａ）の８１あるいは９１の部分拡大図であり、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）レベル（〜３万倍）で見える形態、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図〔図８（ｃ）は（ｂ）の８２の部分拡大図、図９（ｃ−１）、（ｃ−２）はそれぞれ（ｂ）の９２、９３の部分拡大図〕であり、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）レベル（〜１００万倍）で見えるカーボンの形態を模式的に示している。図中、８３，９４はグラフェンである。

図２４のように、グラフェン８３が円筒形状の形態をとるものは「カーボンナノチューブ」と呼ばれる。換言すると、炭素繊維の軸方向を囲むよう（円筒形状）にグラフェンが配置されている炭素繊維が、「カーボンナノチューブ」と呼ばれる。あるいは、また、グ
ラフェン（複数のグラフェン）が炭素繊維の軸に対して実質的に平行に配置される炭素繊維と言うことともできる。多重構造になった多数の円筒で構成されているものは「マルチウォールナノチューブ」と呼ばれ、１つの円筒で構成されているものは「シングルウォールナノチューブ」と呼ばれる。特にチューブの先端を開放させた構造の時に、電子放出に要するしきい値電界が最も下がる。

図２５のように、積層されたグラフェン９４によって構成される炭素繊維は「グラファイトナノファイバー」と呼ばれる。より具体的には、グラファイトナノファイバーは、その長手方向（ファイバーの軸方向）にグラフェンが積層された炭素繊維を指す。換言すると、図２５に示すように、炭素繊維の軸に対して非平行に配置された複数のグラフェンが積層されてなる炭素繊維である。典型的には、ヘリングボーン型においては、炭素繊維の軸とグラフェンの面との成す角度は３０度から９０度の範囲にある。また、グラフェンが平面状であり、そのｃ軸が炭素繊維の軸方向にある場合（典型的には、炭素繊維の軸とグラフェンの面との成す角度が９０度の場合）には、プレートレット型と呼ばれる。また、グラフェンがＶ字状に折れ曲がっており、そのＶ字状のグラフェンが炭素繊維の軸方向に積層されたもの（図２５ｃ-２参照）をヘリングボーン型と呼ばれる。また、円錐状（但
し底面に相当する部分を少なくとも持たない円錐状）のグラフェンが、炭素繊維の軸方向に積層されたものもヘリングボーン型の１種に含まれる。更には、上記円錐状のグラフェンの先端部がない（底面も先端もない）グラフェンが炭素繊維の軸方向に積層されたもの（図２５ｃ-１参照）もまた、ヘリングボーン型の１種に含まれる。

尚、グラファイトの１枚面を「グラフェン」あるいは「グラフェンシート」と呼ぶ。より具体的には、グラファイトは、炭素原子がｓｐ２混成により共有結合でできた正六角形を敷き詰めるように配置された炭素平面が積層された（理想的には３．３５４Åの距離を保って積層された）ものである。この一枚一枚の炭素平面を「グラフェン」あるいは「グラフェンシート」と呼ぶ。

前記グラファイトナノファイバーは、Ｖｍａｘ制御による電子放出特性の制御性がカーボンナノチューブに比較して容易である。そのため、炭素繊維の集合体を用いた電子放出素子を多数配列したマルチ電子源において、個々の電子放出素子間の電子放出特性を調整しやすい。従って、画像表示装置やマルチ電子源においては、炭素繊維の集合体としては、グラファイトナノファイバーだけによって構成するか、または、グラファイトナノファイバーが主体として含まれている炭素繊維の集合体を用いるのがより好ましい。

炭素繊維の集合体１４を陰極電極１３上に配置する方法としては、公知の製造方法を用いることができる。例えば、予め形成しておいた炭素繊維を含むペーストや予め形成しておいた炭素繊維の分散液を、陰極電極上に塗布した後に不要な成分を除去することで炭素繊維の集合体１４を陰極電極１３上に配置することができる。あるいはまた、陰極電極１３上に触媒（好ましくは触媒粒子）を配置し、炭素含有ガスを含む雰囲気中で、ＣＶＤ法を行うことにより陰極電極１３上に炭素繊維を多数成長させることができる。

炭素繊維を成長させるための上記触媒を構成する材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄや、これらの合金などを使用することができるが、特に電子放出特性の観点から、ＰｄとＣｏの合金を触媒として用いることが好ましい。

特に、Ｐｄ、Ｎｉは低温（４００℃以上の温度）でグラファイトナノファイバーを生成することが可能である。Ｆｅ、Ｃｏを用いたカーボンナノチューブの生成温度は８００℃以上必要なことから、Ｐｄ、Ｎｉを用いてのグラファイトナノファイバー材料の作成は、低温で可能なため、他の部材への影響や、製造コストの観点からも好ましい。

更に、Ｐｄは、その酸化物が水素により低温（室温）で還元される特性を用いて、核形成材料として酸化パラジウムを用いることが可能である。

酸化パラジウムの水素還元処理を行うと、一般的な核形成技法として従来から使用されている金属薄膜の熱凝集や、超微粒子の生成と蒸着を用いずとも、比較的低温（２００℃以下）で初期凝集核の形成が可能となる。

前述の炭素含有ガスとしては、例えばエチレン、メタン、プロパン、プロピレンなどの炭化水素ガス、ＣＯ、ＣＯ_２ガスあるいはエタノールやアセトンなどの有機溶剤の蒸気を用いてもよい。

以上の工程により、炭素繊維の集合体を有する電子放出素子を形成することができる。

前述したＶｍａｘ印加による電子放出特性の変動と再現性は、カーボンナノチューブよりもグラファイトナノファイバーに顕著に見られる。この様子を図１３に示した。図１３はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）及びグラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）を電子放出部材に用いた電子放出素子の１／Ｖｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）特性を比較したグラフである。

グラファイトナノファイバーにおいては、Ｖｆ＝Ｖｆ_２を印加した後に得られる低電圧領域が、初期の低電圧領域と比較して、顕著にシフトすることが分かる。一方で、カーボンナノチューブにおいては、グラファイトナノファイバーに比較すると電子放出特性のシフト量自体は少ないが、特性のシフト自体は行われる。

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３として、各々が上述した炭素繊維の集合体を有する電子放出素子を、多数配列した電子源の駆動方法及び、各電子放出素子の電子放出特性差を低減する製造方法（特性調整工程）について説明する。

図１４は、上記の方法によって作製した電子放出素子を複数マトリックス状に配置した電子源の一例である。図１５は、図１４におけるＡ−Ａ’間の断面を模式的に表している。本発明の電子放出素子の配列形状については、図１４に限られるものではない。

図１４の例においては、列方向配線１６１が、素子のゲート電極１６５（図６、７における符号１２で示される部材）に接続している。行方向配線１６２は、素子のカソード電極（陰極電極）１６３と電気的に接続している。炭素繊維の集合体１６４は、素子のカソード電極１６３と電気的に接続している。これらは、図１５から分かるように、基板１７１上に形成されている。そして、この図１４に示されるマルチ電子源の上には、スペーサを介して、アノード電極が対向しており、カソード電極の電位に対して正の電圧Ｖａが印加されるように構成されている（図７参照）。

図１６は、本実施の形態に係る電子源を駆動する際に印加される電圧の様子を説明するための模式的断面図である。

図１６に示すように、この電子源においては、所望の列方向配線と所望の行方向配線を選択し、電圧を印加することにより、選択的に所望の電子放出素子を駆動することができる。例えば、選択した列方向配線にＶｘ＝Ｖ１なる電圧を印加し、非選択の列方向配線にはＶｘ＝Ｖ２なる電圧を印加する。そして、同時に、選択した行方向配線にＶｙ＝Ｖ３なる電圧を印加することにより、選択した行方向配線と選択した列方向配線とに接続する電子放出素子には、Ｖｆ＝Ｖ１−Ｖ３の駆動電圧が印加される。また、非選択の列方向配線
と選択した行方向配線とに接続する電子放出素子には、Ｖｆ＝Ｖ２−Ｖ３なる駆動電圧が印加される。この、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の大きさを適当な大きさにすることにより、所望の電子放出素子のみを駆動し（電子放出させ）、他の電子放出素子を駆動しない（電子放出させない）状態を実現することができる。このような方法を用いて、各電子放出素子の電子放出特性を個別に調べることができる。そして、上記した方法において、選択する行方向配線を順次切り替えることで、所謂線順次駆動を実現することができる。尚、線順次駆動においては、複数の行方向配線を同時に選択することによって複数ラインを同時に駆動することもできる。

また、本発明のように炭素繊維の集合体を電子放出部材として用いた電子放出素子を多数配列することで形成した電子源においては、それぞれの電子放出素子における電子放出特性が必ずしも均一になるわけではない。例えば、各電子放出素子のゲート電極１６１と陰極電極１６３との間に同じ駆動電圧Ｖｆを印加した場合においても、各電子放出素子から放出される電流（各電子放出素子からアノード電極に到達する放出電流Ｉｅ）が必ずしも揃っているわけではない。これは、各電子放出素子の炭素繊維の集合体の形状が異なっていたり、陰極電極とゲート電極との間隔に誤差があったりすることにもその一因があるかもしれない。

図１７は、３つの電子放出素子（電子放出素子Ａ、電子放出素子Ｂ、電子放出素子Ｃ）の夫々の１／Ｖｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）特性を比較したグラフである。例えば、素子Ａ、素子Ｂ、素子Ｃにおいて、それぞれの初期特性は、図１７に示すＦ−Ｎプロットに示すように異なっているとすると、素子Ａ、素子Ｂ、素子Ｃの順に、Ｆ−Ｎプロットの傾きの絶対値は大きく、電子放出閾値が小さい。

前記したように、炭素繊維の集合体を電子放出体として用いた電子放出素子には、Ｖｍａｘ依存性がある。そのため、例えば、図１７に示すような電子放出特性を示す電子放出素子の中から選択した電子放出素子に対して、当該選択された電子放出素子に過去に印加された最大電圧よりも高い電圧を当該選択された電子放出素子に印加することにより、図１７で示される当該選択された電子放出素子の電子放出特性を左側へシフトすることができる。

これは、素子Ａの電子放出特性を素子Ｃの電子放出特性に移行させることができることを示す。従って、この手法を用いることにより、電子源を構成する各電子放出素子間に電子放出特性に許容できない差が存在する場合において、各電子放出素子の電子放出特性差を所定の範囲内に収める（電子放出特性差を低減する）ことができる。具体的には、図１７においては、素子Ｃを基準として、他の素子のＩ−Ｖ特性を、素子ＣのＩ−Ｖ特性に近づけるようにすることができる。

次に、各電子放出素子の電子放出特性差を低減する方法（特性調整工程）を説明する。以下では、３つの電子放出素子（電子放出素子Ａ、電子放出素子Ｂ、電子放出素子Ｃ）で電子源が構成された場合における、各電子放出素子の電子放出特性差を低減する方法を説明する。より具体的には、素子Ａ及び素子Ｂの電子放出特性を素子Ｃの電子放出特性に合わせる方法の一例を説明する。図１８は、異なる電子放出素子の電子放出特性差を低減する方法を説明するために、１／Ｖｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）特性を比較したグラフである。尚、ここで説明する例においては、説明を簡略化するために、電子源が３つの電子放出素子からなる場合を説明するが、電子源を構成する電子放出素子の数は、勿論限定されるものではない。

各電子放出素子の電子放出特性差を低減する方法（特性調整工程）においては、以下に示す第１の工程、第２の工程、第３の工程を含むことが好ましい。但し、下記第１の工程
と第２の工程は特に分けなくても良い。

まず、第１の工程として、素子Ａ、素子Ｂを素子Ｃのそれぞれが、どういう初期特性を持っているのかを調べるために、各素子の特性を測定する工程を行う。この特性測定工程においては、特性測定電圧を、それぞれの電子放出素子に印加する。例えば、それぞれの電子放出素子に、Ｖｆ＝０からＶｆ＝Ｖｆ_１まで印加電圧を上昇させることにより、Ｖｆ＝０からＶｆ＝Ｖｆ_１の範囲内の各電子放出素子の特性を知ることができる。

次に、第２の工程として、各素子の前述した低電圧領域における特性差を低減するために、基準となる素子を選択する。基準となる素子の選定は、例えば、対象となる複数の電子放出素子の中で、電子放出の開始が観測されるために必要な電圧（閾値電圧）が最も高い電子放出素子を選択すればよい。図１８に示される３つの電子放出素子においては、最も高い閾値電圧を示す電子放出素子として、素子Ｃが選択される。また、基準となる素子の選定は、例えば、Ｖｆ＝Ｖｆ_１における放出電流、あるいは、Ｖｆ＝Ｖｆ_１におけるｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）の値が最も小さい値を示す素子を選択することによっても行うことができる。この方法によっても、図１８に示される３つの電子放出素子においては、素子Ｃを選択することができる。そして、選択された基準素子の特性に基づいて、電子放出特性の基準値を求める。この工程を基準値選択工程と呼ぶ。

次に、第３の工程として、上記第２の工程において選択された基準素子（素子Ｃ）に順じた特性になるように、他の素子（素子Ａおよび素子Ｂ）に対し、特性シフト電圧を印加する。この工程を特性シフト工程と呼ぶ。

上記特性シフト電圧の最大値が、素子Ａ及び素子Ｂの最大印加電圧Ｖｍａｘということになる。すなわち、まず素子Ａの印加電圧を上昇させてゆく。すると、ある電圧以上において、Ｆ−Ｎプロットの傾きの絶対値が急激に減少し、素子Ａは前述した高電圧領域に入る。高電圧領域に入った後は、印加電圧をすこしずつ上昇させるが、電圧を上昇させた毎に１度電圧を下げて、新しく形成される低電圧領域における電子放出特性を調べながら、基準素子（素子Ｃ）に順じた特性になるまでＶｍａｘを上げてゆく。

この方法は、素子Ｃの特性に順じた特性になるように、素子Ａに印加するＶｍａｘの値をいくつに設定すべきかが最初から分かっていないために行われる例である。この方法においては、素子Ａに印加する印加電圧を小刻みに上昇させる度に、低電圧領域における素子Ａの電子放出特性を調べる。このようにして、素子ＡのＶｍａｘをＶｆ＝Ｖｆ_３まで上昇させることにより（図１８参照）、素子Ａの特性は、素子Ｃの特性に順じた特性になる。素子Ｂについても同様の方法を用いて、素子ＢのＶｍａｘとして、Ｖｆ＝Ｖｆ_２まで上昇させることにより（図１８参照）、素子Ｃの特性に順じた特性になる。

このように上記特性シフト工程を用いることにより、所定の電圧を印加した場合に放出される電子の量が相対的に少ない電子放出素子（素子Ｃ）のＩ−Ｖ特性に、前記電子の量が相対的に多い他の電子放出素子（素子Ａ、素子Ｂ）のＩ−Ｖ特性を近づけることができる。そして、特性シフト工程の後においては、各々の電子放出素子（陰極電極と対向電極との間）に上記特性シフト工程で用いた最大印加電圧Ｖｍａｘより小さい駆動電圧Ｖを印加することで、各電子放出素子を駆動する。これにより、各電子放出素子から所望量の電子が再現性高く放出されるので、このような電子源を用いた画像表示装置においては、均一性の高い良好な画像を得ることができる。

上記の方法では、電子放出素子Ｃの初期の特性に順ずるように、その他の電子放出素子Ａ、Ｂの特性を調整する方法を示した。しかしながら、前述の特性測定工程で測定された素子Ｃの低電圧領域における特性が、所望の放出電流量を満足しない場合がある。このよ
うな場合には、下記に述べるように、素子Ｃも含めて全ての電子放出素子に対して特性シフト電圧を加え、全ての素子のＶｍａｘを上昇させることが好ましい。具体的には、まず、複数の電子放出素子の中から例えば前述した方法と同様に、最も高い閾値電圧を示す電子放出素子（基準となる電子放出素子）を選択する。そして選択された電子放出素子（素子Ｃ）にＶｍａｘに相当する電圧（高電圧領域の電圧）を印加することで、選択された電子放出素子（素子Ｃ）の特性をシフトさせる（低電圧領域を広げる）。この工程を基準素子電圧調整工程と呼ぶ。そして、このように、素子Ｃのダイナミックレンジを広げたのちに、素子Ｃを基準素子とする。そして、特性シフトさせた後の素子Ｃの電子放出特性を基準値として、前述した方法と同様にして他の電子放出素子（素子Ａ、素子Ｂ）の特性を素子Ｃの特性に順じた特性にシフトさせる。ここで説明する例においては、説明を簡略化するために、電子源が３つの電子放出素子からなる場合を説明するが、電子源を構成する電子放出素子の数は、勿論限定されるものではない。

上記方法を説明するために図１９を用いて説明する。まず、所望の放出電流量に対応する、縦軸の値に達するまで、選択した素子（素子Ｃ）に印加する駆動電圧Ｖｆを上昇させる。すなわち、素子ＣにＶｆ＝０ＶからＶｆ＝Ｖｆ１’に達するまで印加電圧を上昇させ、選択した素子（素子Ｃ）のＶｍａｘを上昇させる。この結果、選択した素子（素子Ｃ）のＶｍａｘがＶｆ１’となる。このように素子Ｃの特性をシフトさせた後、前記した方法と同様にして、素子Ａ、素子Ｂのそれぞれの電子放出特性が、素子Ｃの低電圧領域の電子放出特性に順ずるように、素子Ａ及び素子Ｂに印加する電圧を上昇させる。この工程で素子Ｃ以外の各素子に印加した最大電圧であるＶｍａｘが決まる。すなわち、図１９においては、素子ＡのＶｍａｘはＶｆ＝Ｖｆ_３’、素子ＢのＶｍａｘはＶｆ＝Ｖｆ_２’となる。以上の方法を多数の電子放出素子からなる電子源に対して適用することにより、初期状態で、所望の電子放出特性を満たす電子放出素子が１つも存在しない場合においても、電子源を構成する各素子が所望の電流を放出すると共に、各素子間の電子放出特性差が少ない状態を実現することができる。

これにより、各電子放出素子から所望量の電子が再現性高く放出されるので、このような電子源を用いた画像表示装置においては、均一性の高い良好な画像を得ることができる。

上記した特性調整工程を用いることにより、電子源を駆動することに伴う経時劣化などによって、各電子放出素子の電子放出特性に差が生じた場合に、その差を低減するためにも用いることができる。

図２０は、上述したような、電子源の駆動に伴い各電子放出素子の特性が変化（劣化）した場合において、各電子放出素子間の特性を揃える工程を説明するためのグラフである。図２０においては、図１９と同様に１／Ｖｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）を縦軸とし、１／Ｖｆを横軸としたグラフである。ここで説明する例においては、説明を簡略化するために、電子源が３つの電子放出素子からなる場合を説明するが、電子源を構成する電子放出素子の数は、勿論限定されるものではない。

図２０に示すように、各電子放出素子が経時劣化などにより、ある素子（この場合は素子Ｃに相当する）が、必要とする放出電流が得られなくなった場合には、例えば、素子Ａ、素子Ｂ、素子Ｃのそれぞれの特性を測定しつつ、最終的に素子Ａ、素子Ｂ、素子Ｃにそれぞれ、Ｖｆ_１”、Ｖｆ_２”、Ｖｆ_３”を印加する。このＶｆ_１”、Ｖｆ_２”、Ｖｆ_３”は、それぞれの素子がこれらの電圧の印加を受ける前に経験したいずれの印加電圧よりも高い電圧となる。そしてこれらの電圧を各々の電子放出素子に印加することにより、各電子放出素子間の電子放出特性の差を低減することができる。この結果、再び、均一性が高く、電子放出特性の再現性の高い電子源とすることができる。また、上記した駆動中にお
ける電子放出特性差が生じた場合における、特性差の低減方法は、予め設定したタイミングで行うこともできるし、また、定期的に特性差を測定し、所定の範囲外まで各電子放出素子の特性差が広がった場合にのみ行うこともできる。更には上記特性差の低減を行う回数についても制限はない。

上記した複数の電子放出素子間における電子放出特性差を低減する方法においては、炭素繊維の集合体から対向電極（例えばアノード電極）へ放出される放出電流とその際の駆動電圧との関係を測定することにより、各素子の電子放出特性を測定することができる。また、各素子の電子放出特性を測定するその他の手段としては、予めアノード電極への放出電流と、カソード電極へ流れ込む電流との比を測定することによって、炭素繊維の集合体に流れ込む素子電流と、その際にカソード電極と対向電極との間に印加される駆動電圧との関係から、各電子放出素子の電子放出特性を知ることができる。

また、アノード電極の表面に蛍光体などの発光体膜を配置し、炭素繊維の集合体からの放出電子が発光体に衝突した際に生じる発光を利用することも可能である。すなわち、予め素子からの放出電流と、発光強度の関係を測定することによって、発光強度と、駆動電圧の関係から、各電子放出素子の電子放出特性を知ることができる。

また、上記した実施形態３における特性調整工程においては、複数の電子放出素子の対向電極を一つの電極で構成することもできる。即ち、実施形態１または２で示した電子放出素子を複数配列する場合においては、アノード電極（図２では符号９５で表され、図７では符号６２で表される）は、一つの連続した電極となっている。そのため、個々の電子放出素子における対向電極は、単一の電極で構成されることもできるし、また、別個の電極で構成されることもできる。また、対向電極が、個々の電子放出素子毎に独立した電極であっても、上記特性調整工程は、複数の電子放出素子間で同時に行うことも可能である。勿論、複数の電子放出素子の対向電極が一つの連続した電極で構成される場合でも、上記特性調整工程は、複数の電子放出素子間で同時に行うことができる。上記特性調整工程を、複数の電子放出素子において同時に行うことができれば、製造工程に要する時間も短縮できるので好ましい。

上記した本発明の実施形態１及び２においては、電子放出素子の駆動時においてカソード電極（陰極電極）と対向電極との間に印加する電圧を、電子放出素子の製造時においてカソード電極（陰極電極）と対向電極との間に印加した最大電圧（Ｖｍａｘ）を超えない値にすることを特徴とするものである。しかしながら、この駆動方法は、駆動時におけるカソード電極と対向電極との相対位置と、製造時におけるカソード電極と対向電極との相対位置とが変化しないことを前提にしている。

勿論、このように、製造時と駆動時におけるカソード電極と対向電極との相対位置の変化がないことが最も好ましいのであるが、一方で、製造時と駆動時において、カソード電極と対向電極との相対位置を積極的に変えることも可能である。

このような場合は、上述した電圧だけで各電子放出素子の電子放出特性（上述したＶｍａｘ依存）が決まるわけではない。そのため、上述した電圧を、駆動前（典型的には製造時）における最大印加電界強度（Ｅｍａｘ）と駆動時における印加電界強度に置き換えることができる。勿論、製造時と駆動時におけるカソード電極と対向電極との相対位置の変化がない場合においては、ＶｍａｘをＥｍａｘにそのまま置き換えることができる。

例えば、実施形態１のように、２端子構造の電子放出素子の場合においては、駆動時に用いるアノード電極（対向電極）９５が、カソード電極９３が形成された基板９２とは別の基板９６に配置される。このような場合においては、製造時に印加する最大電圧（Ｖｍ
ａｘ）の印加を、駆動時に用いるアノード電極９５とは別の電極とカソード電極との間で行うこともできる。つまり、例えば、電位が制御できる金属板を、炭素繊維の集合体９４を有するカソード電極９３の上方に配置し、カソード電極９３と上記金属板との間に電圧（Ｖｍａｘ）を印加することもできる。この場合は、例えば、駆動時において、カソード電極９３とアノード電極９５との間に印加される最大電界強度が、製造時にカソード電極９３と金属板との間に印加された電界強度（Ｅｍａｘ）よりも低くなるようにすれば良い。この思想は、実施形態２で示した３端子構造の電子放出素子にも当てはめることができる。

但し、このようなＥｍａｘで規定する場合においては、駆動前（典型的には製造時）における電圧印加（電界印加）によって生じる電場（電子放出を支配する電場）が、駆動時における電圧印加（電界印加）によって生じる電場とが実効的に相似の関係であることが望まれる。換言すると、炭素繊維の集合体における、駆動前（典型的には製造時）における電圧印加によって電子が放出される領域と、駆動時における電圧印加によって電子が放出される領域とに、大幅な位置の移動がないことが望まれる。このようにしなければ、上述した実施形態１，２で示した電子放出特性の再現性や実施形態３で示した特性調整工程の効果が、駆動時に発現されなくなる場合がある。

また、上述したＥｍａｘは、Ｉｍａｘによって置き換えることもできる。つまり上述した電界強度を、駆動前（典型的には製造時）における最大放出電流（Ｉｍａｘ）と駆動時における放出電流に置き換えることができる。但し、上記最大放出電流は、２端子構造の電子放出素子の場合は、単純に対向電極に流れこむ電流と置き換えることもできる。一方、３端子構造の場合は、アノード電極に流れこむ電流に置き換えることもできる。勿論、製造時と駆動時におけるカソード電極と対向電極との相対位置の変化がない場合においては、ＶｍａｘをＩｍａｘにそのまま置き換えることができる。また、Ｅｍａｘについて述べたように、金属板などを用いることで、製造時と駆動時におけるカソード電極と対向電極との相対位置の変化を積極的に行うこともできる。

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

（実施例１）
図２１は、本実施例に係る電子放出素子の製造工程を説明するための模式的断面図である。

（工程１）
石英基板である基板１１を十分洗浄を行った後、ゲート電極１２として厚さ５ｎｍのＴｉ、及び、陰極電極１３として厚さ３０ｎｍのポリＳｉ（砒素ドープ）を、それぞれスパッタ法により基板１１上に連続的に蒸着した。

次に、フォトリソグラフィー工程で、ポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を用いてレジストパターンを形成した。

次に、パターニングした前記フォトレジストをマスクとして、ポリＳｉ（砒素ドープ）層、Ｔｉ層をＣＦ_４ガスを用いてドライエッチングを行い、電極ギャップ
間が５μｍからなる対向電極としての引き出し電極１２、及び陰極電極１３を形成した（図２１（ａ））。

（工程２）
次に、基板全体にＣｒをＥＢ（電子ビーム）蒸着にて約１００ｎｍの厚さ分堆積した。

フォトリソグラフィー工程で、ポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を用いてレジストパターンを形成した。

次に、パターニングした前記フォトレジストをマスクとし、電子放出材料を被覆すべき領域（１００μｍ角）を陰極電極上に形成し、開口部のＣｒを硝酸セリウム系のエッチング液で取り除いた。

レジストを剥離した後、スパッタリング法により、電子放出材料である炭素繊維の成長触媒金属であるＰｄとＣｏを１対１の比にて、アイランド状に形成した。

形成後、Ｃｒを硝酸セリウム系のエッチング液にて取り除いた（図２１（ｂ））。

（工程３）
炉内に基板１１を配置し、炉内の大気を１０^−４Ｔｏｒｒまで排気後、窒素により２％に希釈した水素ガスを大気圧まで満たした。その後、基板を、前記水素ガス気流中において、６００℃に加熱して熱処理を行った。この段階で素子表面には粒子の直径が約１０〜３０ｎｍの微粒子５２が形成された。この時の粒子の密度は約１０^１１〜１０^１２個／ｃｍ^２と見積もられた（図２１（ｃ））。

（工程４）
続いて、前記水素ガスに加えて、窒素希釈した１％エチレンガスを導入し、その雰囲気中で６００℃、１０分間加熱処理をした。これを走査電子顕微鏡で観察すると、Ｐｄ塗布領域に直径３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度で、屈曲しながら繊維状に伸びた多数の繊維状カーボンが形成されているのがわかった。このとき繊維状カーボンの厚さは約１μｍとなっていた。

本素子を図７に示したような真空装置６０に設置し、真空排気装置６５によって２×１０^−５Ｐａに到達するまで十分に排気した。素子からＨ＝２ｍｍ離れた陽極（アノード）６１に、陽極（アノード）電圧としてＶａ＝１０ｋＶ印加した。このとき素子には駆動電圧Ｖｆ＝１５Ｖからなるパルス電圧を印加して流れる素子電流Ｉｆと電子放出電流Ｉｅを計測した。

素子のＩｆ、Ｉｅ特性は図８に示したものと同じような特性であった。

すなわち駆動電圧Ｖｆを０Ｖから増加させてゆくと、Ｖｆ＝ＶｔｈからＩｅが急激に増加しはじめた。そして、Ｖｆ＝１５Ｖまで増加させて、そこで電圧値を維持した。このとき、約１μＡの電子放出電流Ｉｅが測定された。一方ＩｆはＩｅの特性に類似していたが、その値はＩｅと比較して一桁以上小さな値であった。

また、このときの電圧印加は、単調増加させているが、０Ｖから最大値１５Ｖまでの電圧領域におけるＦ−Ｎプロットをとったところ、略線形な低電圧領域までしかなく、略線形な直線の高電圧領域への折れ曲がりは、この電圧領域においては測定されなかった。従って、このときの駆動は高電圧領域での電圧駆動ではない。また、上記Ｖｆ＝１５Ｖ、そのときの放出電流Ｉｅ＝１μＡのＦ−Ｎプロット上の点は、本電子放出素子の上記駆動における低電圧領域内にあることが分かった。

次に、上記Ｖｆ＝１５ＶがＶｍａｘであるので、これより低いＶｆ＝１４Ｖによる電圧駆動において本発明の電子放出素子を持続させたところ、安定した放出電流が得られた。また、充分に長時間の駆動ができることが判明した。

また、Ｖｆ＝１０Ｖ程度のより低い電圧で素子を駆動したところ、これでも安定した放出電流が得られた。

（実施例２）
実施例１における電子放出素子の製造工程と同等な工程によって製作した、炭素繊維を用いた電子放出素子の駆動は、初期の駆動において、引き出し電極１２と陰極電極１３間に印加する印加電圧を０Ｖから４０Ｖまで単調増加させたのち単調に減少させた。このときの電子放出特性のＦ−Ｎプロットは、昇電圧過程において、約３０Ｖ（このときの電流はおよそ１２μＡ）までは略線形の関係にあった。この時の陽極電圧はＶａ＝１０ＫＶである。

しかし、印加電圧３０Ｖ付近において、Ｆ−Ｎプロット上の傾きの絶対値が急激に減少し、印加電圧３０Ｖ以上の昇電圧過程においては、再び略線形の関係に従った。この振る舞いから、本実施例の電子放出素子においては、約Ｖｆ＝３０Ｖが、初期の低電圧領域と、高電圧領域の境であると考えられる。その後、印加電圧を４０Ｖまで上昇させたが、このときの放出電流は、およそ１６μＡであった。この後、印加電圧を３５Ｖまで減少させたが、このときの電子放出特性を見てみると、昇電圧時とは異なる略線形の関係に従った。３５Ｖに到達したときの放出電流は、およそ１３μＡであった。

そこで、上記Ｖｆ＝３５Ｖによる電圧駆動において本発明の電子放出素子を持続させたところ、安定した放出電流が得られた。また、実製品においては充分に長時間の駆動に耐えうることが判明した。

（実施例３）
図３で述べた本実施の形態に係る電子放出素子の作製方法を更に詳述する。

（工程１）
まず、基板にイオンビームスパッタリング法により、陰極基板１０２表面に厚さ１００ｎｍのＴｉＮ薄膜１０１を作製する（図３（ａ））。

（工程２）
次に、ＲＦスパッタリング法によりＴｉＮ薄膜１０１上に、炭素繊維の成長を促進する触媒微粒子１０３を作製する（図３（ｂ））。触媒微粒子１０３は、パラジウムとコバルトがそれぞれ５０ａｔｍ％ずつ含まれた合金を、陰極基板上に成膜した。成膜後の膜厚は約２０Åであった。

（工程３）
次に、触媒微粒子１０３が配置された陰極基板１０２を炉に入れ、水素２％、ヘリウム９８％による希釈水素ガスを炉に供給しながら、５５０℃の温度で、加熱処理する。その結果、基板上に触媒微粒子１０３の集合が形成された。触媒微粒子１０３の直径は、５ｎｍから３０ｎｍの範囲内にあった（図３（ｂ））。

（工程４）
次に、陰極基板１０２を、水素２％、ヘリウム９８％による希釈水素ガスと、エチレン２％、ヘリウム９８％による希釈エチレンガスとを炉に供給しながら、５５０℃の温度で加熱処理した結果、炭素繊維が形成された。この炭素繊維の集合は、膜形状をしており、その膜厚は約７．５μｍであり、繊維の直径は５ｎｍから３０ｎｍの範囲内にあった（図３（ｃ））。

今、上記工程によって電極基板上に作製された膜に対して、図２のように、スペーサをはさんでアノード電極を対向させることによって構成される素子を素子Ａと名付ける。

また、上記工程における工程４において、５５０℃の温度での加熱時間を変え、他の工程は全て同一の方法で作製した膜によって、図２のように構成される素子を素子Ｂと名付ける。このとき、素子Ｂにおける膜厚は、約３μｍであり、繊維の直径は５ｎｍから３０ｎｍの範囲内にあった。

この２つの膜、素子Ａと素子Ｂの駆動の様子を表した図を、図２２に示す。今、素子Ａにおける駆動電圧をＶａ、素子Ｂにおける駆動電圧をＶｂとする。まず、素子Ｂを駆動しはじめ、駆動電圧Ｖｂ＝０Ｖから昇圧しはじめ、閾電圧Ｖｂ＝Ｖｔｈｂから放出電流Ｉｅｂが立ち上がり、Ｖｂ＝１．３７ｋＶで昇圧を止めた。Ｖｂ＝１．３７ｋＶにおいて、Ｉｅｂ＝１０ｕＡの放出電流を得た。この駆動電圧におけるＦ−Ｎプロットにおける点を、図２２における点Ｐ３で示す。この駆動電圧においては、Ｆ−Ｎプロットの略線形領域にあり、低電圧領域に入っている。素子Ｂの駆動電圧Ｖｂの上昇はここで止めて、Ｖｂ＝０Ｖに降圧させ、一旦駆動を止めた。このとき降圧によって描く曲線は、昇圧の曲線に対し、やや電流の小さい下回りの曲線を描いたが、ほぼ同一の曲線とみなせる範囲内であった。

次に、素子Ａの駆動を開始し、Ｖａ＝０Ｖから昇圧させ、Ｖａ＝Ｖｔｈａにおいて、放出電流Ｉｅａが立ち上がりはじめた。このとき、Ｖｔｈａ＜Ｖｔｈｂであり、初期における閾駆動電圧値は、素子Ｂに対して、素子Ａは低かった。

Ｖｆａ＝０．７８ｋＶまで昇圧させたところ、Ｉｅａ＝８μＡを検出した。この電圧におけるＦ−Ｎプロット上の点を点Ｐ１として表す。この時点の素子ＡのＦ−Ｎプロットは略線形であり、点Ｐ１は低電圧領域であった。また、点Ｐ１を含む低電圧領域での曲線から算出したβは、素子ＢにおけるＦ−Ｎプロットの点Ｐ３を含む低電圧領域での曲線から算出したβよりも、９／５倍程度高い値であった。しかし、αについては、素子Ａにおける点Ｐ１を含む低電圧領域での曲線から算出したαは、素子Ｂにおける点Ｐ３を含む低電圧領域での曲線から算出したαよりも、１／２０倍程度小さい値であった。

次に、素子Ａの駆動電圧Ｖａを昇圧させてゆくと、Ｖａ＝０．９ｋＶからＦ−Ｎプロットの折れ曲がりが生じ、傾きの絶対値が減少した。すなわち、これは、素子Ａにおいて、高電圧領域に入ったことを示す。更に、Ｖａ＝１．８ｋＶまで昇圧させたところ、このときの放出電流は、Ｉｅａ＝２ｍＡであった。この時のＦ−Ｎプロット上の点を、図２２における点Ｐ２で示す。

次に、Ｖａを降圧させてゆくと、昇圧時と異なる曲線を描いて、放出電流が下がっていった。この曲線は略線形であり、Ｖｍａｘを上昇させた後にできる新たな略線形領域に入ったことを示している。そして、この曲線は点Ｐ３を通った。点Ｐ３において、Ｖａ＝１．３７ｋＶ、Ｉｅａ＝１０μＡであり、素子Ｂで得られた値とほぼ一致していた。また、この降圧曲線から、αとβを算出したところ、素子Ｂの電子放出特性から得られた値とほぼ一致した。

つまり、本例の場合、陰極と対向電極間の最大印加電圧Ｖｍａｘ（Ｖａ）を１．８ｋＶとし、その後の駆動電圧をＶａ＝１．３７ｋＶとすることにより、安定した良好な放出電流が得られた。

従って、本実施の形態によれば、製造直後で特性の異なる炭素繊維を用いた複数の電子放出素子の電子放出特性を、各素子のＶｍａｘを制御することによって合わせることがで
き、それぞれの素子において安定な駆動を行うことができる。

また、図７に示したような３端子の電子放出素子の場合には、制御すべき最大印加電圧Ｖｍａｘと、駆動電圧Ｖは、引き出し電極と陰極間の駆動電圧Ｖｆではなく、陰極と陽極間の印加電圧Ｖａに適用してもよい。更にはＶｆ、Ｖａが共に、駆動時においてそれぞれの履歴上の最大印加電圧Ｖｆｍａｘ、Ｖａｍａｘより小さい電圧でそれぞれ駆動されること好ましいものである。

本発明の電子放出素子及び電子源の駆動方法によって、長時間にわたって電流劣化が少なく、安定な電子放出を維持できる、炭素繊維を用いた電子放出素子の駆動が実現した。更に、本発明のマルチ電子源の製造方法によって、長時間にわたり、全体にわたって、均一で好適な電子放出特性を維持することが可能となった。

（実施例４）
本実施例は、実施例１で作成した３端子型の電子放出素子を用いた画像表示装置を形成した。

本実施例では、複数の電子放出素子を、図１４に示すように、マトリクス状に配列することで電子源を形成した。

その後、電子源を構成する各電子放出素子毎に０Ｖから測定電圧まで上昇する電圧を印加し、各電子放出素子の電子放出特性を測定した。そして、前述した実施形態３に示したように、最も放出電流の小さい電子放出素子の電子放出特性を基準とし、この基準と、その他の電子放出素子の電子放出特性との差を低減するように、各素子に前記測定電圧を超える電圧を印加した。この結果、電子源を構成する各電子放出素子の電子放出特性の均一性を向上させた。

そして、電子源の上方に３原色の蛍光体膜と蛍光体膜を覆うＡｌからなるメタルバック（アノード電極）とを有するフェースプレートを対向配置し、周囲を封止し、真空パネルを形成した。そして、この真空パネルに駆動回路を接続し、画像を表示させた。尚、画像表示時においては、各電子放出素子の駆動電圧は、前記した測定電圧未満の電圧で行った。その結果、均一性の高い画像を安定性高く表示することができた。

本実施の形態に係る電子放出素子の不可逆特性を説明するためのＶｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ）特性を示すグラフである。 電子放出素子の一例を示す模式図である。 陰極電極と陰極電極上の電子放出素子の作製方法を示す断面模式図である。 電子放出素子のＩ−Ｖ特性を示したグラフである。 電子放出素子のＦ−Ｎ特性を示したグラフである。 （ａ）はゲート電極を具備した炭素繊維の集合を電子放出体として用いた電子放出素子の模式的上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ間断面図である。 電子放出素子から放出された電子が陽極に向かう様子を説明するための模式図である。 電子放出素子のＶｆ−Ｉｅ特性を示すグラフである。 電子放出素子のＶｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ）特性を示すグラフである。 電子放出素子の１／Ｖｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）特性を示すグラフである。 電子放出素子のｌｏｇ（ｔ）−Ｉｅ（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）特性を示したグラフである。 本実施の形態に係る電子放出素子の不可逆特性を説明するための１／Ｖｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）特性を示すグラフである。 カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）及びグラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）を電子放出部材に用いた電子放出素子の１／Ｖｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）特性を比較したグラフである。 電子放出素子をマトリックス状に配置したマルチ電子源の模式的上面図である。 図１４に示す電子源のＡ−Ａ’断面図である。 電子源を駆動する際に印加される電圧の状態を説明するための模式的断面図である。 異なる電子放出素子の１／Ｖｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）特性を比較したグラフである。 本発明の実施の形態による、異なる電子放出素子の特性を均一化する方法を説明するために１／Ｖｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）特性を比較したグラフである。 特性シフト電圧印加工程を説明するために１／Ｖｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）特性を比較したグラフである。 基準素子電圧調整工程を説明するために１／Ｖｆ−ｌｏｇ（Ｉｅ／Ｖｆ^２）特性を比較したグラフである。 電子放出素子の製造工程を説明するための模式的断面図である。 実施例２に係る電子放出素子のＦ−Ｎ特性を示したグラフである。 電子源の概略模式図である。 炭素繊維の形態の一例を示す模式図である。 炭素繊維の形態の一例を示す模式図である。 電子放出素子の一例を示す模式図である。

符号の説明

１１ 絶縁性基板
１２ ゲート電極
１３ 陰極電極
１４ 炭素繊維の集合体
５２ 微粒子
６０ 真空装置
６１ 基板
６２ 陽極電極（アノード電極）
６３ 等電位線
６５ 真空排気装置
８３ グラフェン
９１ 電圧源
９２ 陰極基板
９３ 陰極電極（カソード電極）
９４ 炭素繊維の集合体（グラフェン）
９５ 陽極電極（対向電極）
９６ 陽極基板
９７ 真空容器
９８ 排気係
１０１ 薄膜
１０２ 陰極基板
１０３ 触媒微粒子
１０４ 炭素繊維の集合体
１１１ 基板
１１２ 制御電極
１１３ 陰極電極（カソード電極）
１１４ 絶縁層
１１５ 炭素繊維の集合体
１１６ アノード電極
１６１ 列方向配線（ゲート電極）
１６２ 行方向配線
１６３ 陰極電極（カソード電極）
１６４ 炭素繊維の集合体
１７１ 基板
４００２ 行方向配線
４００３ 列方向配線
４００４ 配線抵抗
Ｉｅ 放出電流
Ｖｆ 駆動電圧
Ｖｍａｘ 最大印加電圧

Claims (11)

1. 炭素繊維の集合体からなる電子放出体を有する陰極を備え、該陰極と該陰極に対向して配置された対向電極との間に駆動電圧を印加することで、前記電子放出体から電子を放出する電子放出素子が、基板上に複数配置されることで構成された電子源の製造方法であって、
   各々が炭素繊維の集合体からなる電子放出体を有する複数の陰極と、該複数の陰極に対向する対向電極とを用意する工程と、
   前記複数の陰極の各々と前記対向電極との間に所定の電圧を印加した際に放出される電子の量が相対的に少ない炭素繊維の集合体の電子放出特性と、前記所定の電圧を印加した際に放出される電子の量が相対的に多い他の炭素繊維の集合体の電子放出特性との差が低減するように、前記他の炭素繊維の集合体を有する陰極と前記対向電極との間に印加する印加電圧を、前記他の炭素繊維の集合体を有する陰極が経験した電圧の最大値よりも低い電圧から前記他の炭素繊維の集合体の電子放出特性のＦ-Ｎプロットにおける傾きの絶対
   値が減少に転じる電圧を越えた電圧まで、上昇させていく工程と、を有することを特徴とする電子源の製造方法。
2. 前記炭素繊維の集合体は、カーボンナノチューブの集合体、または、グラファイトナノファイバーの集合体、または、それらが混合された集合体のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電子源の製造方法。
3. 前記印加電圧の最大電圧が前記駆動電圧よりも高いことを特徴とする請求項１または２に記載の電子源の製造方法。
4. 電子源と蛍光体膜とを備える画像表示装置の製造方法であって、前記電子源が、請求項1乃至３のいずれか１項に記載の製造方法により製造されることを特徴とする画像表示装
   置の製造方法。
5. 複数の炭素繊維を有する陰極と該陰極に対向して配置された対向電極を備える電子放出素子の製造方法であって、
   複数の炭素繊維を有する陰極と、該陰極に対向する対向電極とを用意する工程と、
   前記陰極と前記対向電極との間に印加する印加電圧を、前記陰極が経験した電圧の最大値よりも低い電圧から電子放出特性のＦ-Ｎプロットにおける傾きの絶対値が減少に転じ
   る電圧を越えた電圧まで、上昇させていく工程と、
   を備えることを特徴とする電子放出素子の製造方法。
6. 前記印加電圧の最大電圧が、前記電子放出素子の駆動電圧より大きい電圧であることを特徴とする請求項５に記載の電子放出素子の製造方法。
7. 前記炭素繊維は、カーボンナノチューブまたはグラファイトナノファイバーであることを特徴とする請求項５または６に記載の電子放出素子の製造方法。
8. 電子放出素子と蛍光体膜とを備える画像表示装置の製造方法であって、前記電子放出素子が、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の製造方法により製造されることを特徴とする画像表示装置の製造方法。
9. 炭素繊維の集合体からなる電子放出体が形成されている陰極と該陰極に対向して配置された対向電極との間に駆動電圧を印加することで、前記電子放出体から電子を放出し得る複数の電子放出素子と、発光体とを有する画像表示装置であって、前記画像表示装置が請求項４または８に記載の製造方法により製造されたことを特徴とする画像表示装置。
10. 複数の炭素繊維を有する陰極と該陰極に対向して配置された対向電極を備える電子放出素子の電子放出特性を調整する特性調整方法であって、
    前記陰極と前記対向電極との間に印加する印加電圧を、前記陰極が経験した電圧の最大値よりも低い電圧から電子放出特性のＦ-Ｎプロットにおける傾きの絶対値が減少に転じ
    る電圧を越えた電圧まで、上昇させていく工程、を備えることを特徴とする特性調整方法。
11. 電子放出素子と蛍光体膜とを備える画像表示装置の特性調整方法であって、
    前記電子放出素子の電子放出特性を請求項１０に記載の特性調整方法によって調整することを特徴とする画像表示装置の特性調整方法。
    

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