JP4823429B2 - Electron emission device, charging device, and image forming apparatus - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出素子を用いた発光素子および電子放出素子を２次元にアレイ化したフィールドエミッション型のディスプレイなどの電子を放出する電子放出装置と、この電子放出装置を用いた帯電装置および帯電装置を用いた複写機、プリンタ、ファクシミリなどの画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴとする）は、グラファイト状の炭素原子面を丸めた円筒が１個、または数〜数１０個入れ子状に配列した繊維状構造を有し、その直径はナノメートルオーダーと極めて小さく、軸方向の大きさ（カーボンナノチューブの長さ）は、μｍオーダーにも達し、非常にアスペクト比（長さ／直径比）の大きい材料である。
また、ＣＮＴの側面は、炭素原子のＳＰ２混成軌道のみからなるため、ダングリングボンドがなく化学的に安定である。また、ＣＮＴは、シームレス構造であるため非常に大きなヤング率を持ち（Ｙ＞１Ｔｐａ）、さらにバックリングによって応力を緩和できる特徴を有する。さらにＣＮＴは、カイラリティーや直径によって金属から半導体と幅広い電気特性を有している。
このようにＣＮＴは、種々のユニークな特性を持つことから新しい炭素材料として産業上への適用が期待されている。
【０００３】
特に、ＣＮＴの先端はナノメートルオーダーの径を持つ半球状であることから、電圧印加によって電界の集中が容易に得られ、低電圧で電界放出を実現することができる。Ａ．Ｇ．Ｒｉｎｚｌｅｒ，Ｒ．Ｅ．Ｓｍａｌｌｅｙらは、実験的に１本の多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）からの電界放出を報告している（Ｓｃｉｅｎｃｅ ２６９，１５５０（１９９５）参照）。
以上のようにＣＮＴは、低電圧での電子放出、化学的安定性、物理的強靱性を併せ持つことから、電子放出素子として大いに期待されており、多くの研究がなされている。近年では、ＣＮＴの高密度化や配向制御が実現されつつあり、より大きな電流が得られる電子放出素子が作製されている。
【０００４】
例えば、特開平１０−１２１２４号公報には、陽極酸化膜中の細孔中にＣＮＴを形成することにより（図５参照）、ＣＮＴの高密度化を実現する、また、細孔の開口部に引き出し電極を設けることによって、ＣＮＴから引き出された電子を効率的に細孔の外へ導くことによって電子放出素子の高効率化を計る技術が開示されている。
また、特開平１１−１９４１３４号公報には、導電性表面とＣＮＴの結合部を障壁で囲むことによって（図６参照）、ＣＮＴの配向性を向上させ、電子放出素子の高効率化を計る技術が開示されている。
一方、ＣＮＴの画像形成デバイスとしての応用は、山口、中山らによって報告されている（Ｊａｐａｎ Ｈａｒｄｃｏｐｙ’９７要旨集ｐ２２１参照）。彼らは、ライン状電子線源を用いて真空中での電界放出を確認し、ＣＮＴを用いたライン状電子線源がコロナ帯電器を代換できる可能性を示しており、さらに微小電子線源を用いて大気中での電界放出も確認しており、直接描画の可能性を開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特開平１１−１９４１３４号公報の技術では、全て高真空中で電界放出が行われており、低真空や大気圧中で動作させた場合に関しては記載されていない。
一般的に、ＣＮＴからの電界放出では雰囲気中の酸素や水によってＣＮＴの先端が劣化することがあり、低真空や大気圧中で動作させると電子放出素子で得られる電流が低下することがある。
また、真空中では低電圧で電子放出が確認されているが、大気圧中ではＣＮＴ１本に流れる電流が１０〜１２Ａを越えると電圧に対して一旦電流値が減少し、その後初期の立ち上がりが再現せず、ＣＮＴが劣化する場合がある。
【０００６】
このように大気中では１本のＣＮＴに流せる電流が小さくなり、ＣＮＴを用いた画像形成デバイスを実現するためには上述のような問題を解決する必要があった。ＣＮＴの密度を大きくし、ＣＮＴ１本当たりの電流を下げることによる問題解決も考えられるが、ＣＮＴの高密度化に適した化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によって作製した場合においても、全てのＣＮＴの放出開始電圧を揃えることは不可能であり、放出開始電圧が小さいＣＮＴに大きな電流が流れてしまい、ＣＮＴの劣化を完全に抑制することは困難であった。
【０００７】
そこで、本発明の第１の目的は、カーボンナノチューブを用いた電子放出素子において、大気圧中でも素子の劣化がなく、低電圧でかつ安定した電子放出能を有する電子放出装置、帯電装置および画像形成装置を提供することである。
本発明の第２の目的は、カーボンナノチューブを用いた電子放出素子を帯電器として利用することによって、大気圧中でも安定で、低電圧動作、オゾンやＮＯｘの発生の少ない電子放出装置、帯電装置および画像形成装置を提供することである。
本発明の第３の目的は、オゾンやＮＯｘを発生させないで、良好な画像を安定して得ることができる電子放出装置、帯電装置および画像形成装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、石英、ガラス、セラミックス、金属、シリコン基板などによって構成される支持体と、前記支持体の片面上に金属または合金を成膜することにより形成されたエミッタ電極と、前記エミッタ電極上に所定の間隔で設置された複数のアルミニウム膜を硫酸、過塩素酸などの酸中で陽極化することにより形成された複数の陽極化膜と、前記複数の陽極化膜の各陽極化膜間に形成され、前記エミッタ電極と反対側に開口部を有する細孔と、前記複数の陽極化膜の各陽極化膜間に形成された細孔内に底面が前記エミッタ電極に接するように設置され、電子を電界放出するカーボンナノチューブと、前記細孔の開口部を被覆する、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）などの貴金属またはその合金によって形成される引き出し電極と、を備え、前記カーボンナノチューブは、前記エミッタ電極と前記陽極酸化膜と前記引き出し電極とに囲まれていることを特徴とする電子放出装置を提供する。
【０００９】
請求項２記載の発明では、前記カーボンナノチューブから電界放出される電子は、前記引き出し電極を貫通して外部へ放出されることを特徴とする請求項１記載の電子放出装置を提供する。
請求項３記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の電子放出装置を複数並べたことにより構成されることを特徴とする電子放出装置を提供する。
【００１０】
請求項４記載の発明では、前記複数並べられている電子放出装置を所定数ずつのブロックに分割し、この分割された各ブロック内の各電子放出装置の前記エミッタ電極と導通する駆動素子をさらに備えたことを特徴とする請求項３記載の電子放出装置を提供する。
請求項５記載の発明では、請求項１、請求項２、請求項３のうちいずれか１に記載の電子放出装置を用いたことを特徴とする帯電装置を提供する。
【００１１】
請求項６記載の発明では、請求項１、請求項２、請求項３のうちいずれか１に記載の電子放出装置を用いたことを特徴とする直接描画方式の帯電装置を提供する。
請求項７記載の発明では、請求項５に記載の帯電装置を搭載したことを特徴とする画像形成装置を提供する。
【００１２】
請求項８記載の発明では、請求項６に記載の直接描画方式の帯電装置を搭載したことを特徴とする画像形成装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について図１ないし図４を参照して詳細に説明する。
図１は、第１の実施形態に係る電子放出装置を示した図である。
電子放出素子である電子放出装置は、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと略する場合もある）１０が陽極酸化膜１１の細孔の中に保持されており、カーボンナノチューブ１０の一端は、支持体１３上のエミッタ電極１２に接続され、負電圧が印加できる構造となっている。また、陽極酸化膜１１の細孔の開口は、引き出し電極１４で被覆された構造となっている。
電子放出装置のエミッタ電極１２と引き出し電極１４の間に電界をかけると、カーボンナノチューブ１０の先端に負の高電界が印加され、カーボンナノチューブ１０の先端から電界放出によって電子が放出される。さらに放出した電子は、開口を被覆した引き出し電極１４によって引き出され、引き出し電極１４を貫通して電子放出装置の外へ導かれる。
【００１４】
本実施の形態のような構造によって、カーボンナノチューブ１０は陽極酸化膜１１と引き出し電極１４、エミッタ電極１２で完全に囲まれた構造となり、カーボンナノチューブ１０は外気と完全に遮断される。ここで、陽極酸化膜１１と引き出し電極１４、エミッタ電極１２で囲まれた領域、すなわち細孔の内部から酸素や水などのカーボンナノチューブ１０を劣化させやすいガスを取り除くことによって、カーボンナノチューブ１０が電界放出時に劣化することを防止することができる。
本実施の形態の電子放出装置によると、高真空状態、低真空や大気中でもカーボンナノチューブ１０が外気と完全に遮断されているため、電界放出時のカーボンナノチューブ１０の先端の劣化が著しく小さくなり、長期に渡って安定した電流が得られ、電子放出装置の長寿命化を実現することができる。
【００１５】
次に、本実施の形態の電子放出装置の作製方法および各構成部材について説明する。
支持体１３としては絶縁性、導電性、半導体性のいずれでも良く、例えば石英、ガラス、セラミックス、金属、シリコン基板などが使用できる。その支持体１３上に真空蒸着、スパッタ法などによって金属ないし合金を成膜してエミッタ電極１２とする。
エミッタ電極１２としては、種々の金属ないし合金が使用できるが、特にＴｉ（チタン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｚｒ（ジルコニウム）などを用いると以後の陽極酸化プロセスによっても表面の導電性が変化しないため、プロセスの簡便化を考えると好ましい。
【００１６】
なお、前述以外の金属、合金を用い、極酸化プロセス後でエミッタ電極１２の表面が不導化した場合においても、エミッタ電極１２をライトエッチングすることによって導通化できるので、本実施の形態では特に前述の金属に限られるものではない。
なお、支持体１３として金属を用いた場合、支持体１３自体をエミッタ電極１２とすることもでき、この場合には新たにエミッタ電極１２を成膜しなくてもよい。その後、エミッタ電極１２上に真空蒸着ないしスパッタ法によってアルミニウム膜を形成し、硫酸、過塩素酸、リン酸などの酸中でアルミニウム膜を陽極酸化することによって、陽極酸化膜１１および陽極酸化膜中の細孔が作製できる。
【００１７】
細孔の深さは、アルミニウム膜の膜厚で制御することができ、１〜数μｍ程度にするのが実用的である。また、細孔の直径は細孔中にカーボンナノチューブ１０を形成することを考えると、１００ｎｍ以下にするのが望ましく、細孔の直径が大きすぎる場合は良好なカーボンナノチューブ１０が形成されにくい。
なお、エミッタ電極１２としてアルミニウムを用いた場合、アルミニウムの表面側を陽極酸化して細孔を形成し、陽極酸化されなかった部分をエミッタ電極１２として使用するようにしてもよい。
さらに支持体１３としてアルミニウム金属を用いた場合、新たにエミッタ電極１２を成膜せず、直接支持体１３であるアルミニウム金属の一部を陽極酸化して細孔を形成し、陽極酸化されなかった支持体１３の部分をエミッタ電極１２として使用するようにしてもよい。
なお、陽極酸化膜１１中の細孔がエミッタ電極１２に達していない場合、陽極酸化後にリアクティブイオンエッチングやサイクロトロン共鳴イオンエッチング、イオンビームエッチングなどの指向性の良いエッチング法によって陽極酸化膜１１全体をエッチングして細孔をエミッタ電極１２に到達させるようにする。
【００１８】
陽極酸化膜１１および陽極酸化膜１１中の細孔を形成した後、細孔の中にカーボンナノチューブ１０を形成する。
カーボンナノチューブ１０には、単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブがあり、単層カーボンナノチューブは直径が０．７〜５ｎｍ程度であり、長さは１０ｎｍ〜１μｍである。
一方、多層カーボンナノチューブは、直径が１〜５００ｎｍで、長さは５ｎｍ〜１ｍｍであり、より合成しやすい大きさとしては直径が２〜５０ｎｍで、長さは１μｍ以上であり、単層、多層カーボンナノチューブともアスペクト比が非常に大きい極細の繊維形状をしている。
なお、本実施の形態のカーボンナノチューブ１０は、前述の大きさの範囲に限定されるものではなく、直径が１μｍ未満のカーボンナノチューブであればよいとする。
【００１９】
一般的に、カーボンナノチューブ１０の合成法にはアーク放電法やレーザーアブレーション法、化学的気相成長法（以下ＣＶＤ法と略す）があるが、本実施の形態で使用されるカーボンナノチューブ１０は、陽極酸化膜１１の細孔の中に配向を揃えて作製するため、ＣＶＤ法によることが望ましい。
ここでＣＶＤ法とは、陽極酸化膜１１の細孔の底部にＦｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）などの金属、ないしそれらの合金、または前述の金属の酸化物などの触媒層を設け、加熱などによって１ｎｍ〜数１０ｎｍのオーダーに触媒金属を微粒子化した後、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ2、Ｃ2Ｈ4などの炭化水素ガスを導入し、６００〜１２００℃前後で炭化水素ガスの熱分解を行うことによって、触媒金属からカーボンナノチューブ１０を成長させる方法である。
また、熱分解の他にホットフィラメントやマイクロ波プラズマやＲＦプラズマなどを使用して炭化水素ガスを分解してもよい。また、炭化水素ガスの代わりにＣＯ2、ＣＯガスも使用でき、さらＨｅやＡｒ、Ｎ2などのガスで炭化水素ガスを希釈して用いるようにしてもよい。
【００２０】
作製されるカーボンナノチューブ１０は、陽極酸化膜１１の細孔に沿って成長するため、配向の揃ったものができ、電子放出装置としては大きな電流が得られる。
なお、カーボンナノチューブ１０の直径は触媒の微粒子径によってある程度制御できるため、陽極酸化膜１１の細孔径や触媒金属の微粒子化条件を最適化することにより、カーボンナノチューブ１０の直径を制御するようになっている。
また、カーボンナノチューブ１０の長さはＣＶＤ法の成長時間によって制御できる。なお、本実施の形態に用いられるカーボンナノチューブ１０は、陽極酸化膜１１の細孔の深さよりも短くなければならない。
ＣＶＤ法によってカーボンナノチューブ１０を作製した場合、触媒金属のない領域にはアモルファスカーボン（ａ−Ｃ）が析出する。このアモルファスカーボンは、カーボンナノチューブ１０と比較して酸化温度が低いので、ＣＶＤ法後に酸化雰囲気ないし大気中で６００℃の熱処理を加えることによって、除去することができる。
【００２１】
カーボンナノチューブ１０を陽極酸化膜１１の細孔中に形成した後、細孔の開口を引き出し電極１４で被覆して、電子放出装置を完成させる。
ここで引き出し電極１４は、カーボンナノチューブ１０から引き出された電子がトンネル効果によって貫通する必要があるので、極力薄くすることが望ましい。引き出し電極１４の作製法を考慮すると、１０ｎｍ以下の膜厚とするのが実用的である。
引き出し電極１４は直接外気と接触するため、酸化されにくい金属が望ましい。例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属ないしその合金によって構成すると、長期の使用においても引き出し電極は外気によっても酸化されず、電子放出装置として長期の信頼性が改善される。
【００２２】
なお、本実施の形態の電子放出装置では、外気の圧力と陽極酸化膜１１と引き出し電極１４、エミッタ電極１２で囲まれた領域の圧力の差が大きいと、引き出し電極１４にかかる応力が大きくなり、引き出し電極１４を劣化させる原因となる。これを回避するために、本実施の形態の電子放出装置を高真空状態で使用する場合、陽極酸化膜１１と引き出し電極１４、エミッタ電極１２で囲まれた領域も高真空状態に保持しなけらばならない。これにより、陽極酸化膜１１と引き出し電極１４、エミッタ電極１２で囲まれた領域（つまり細孔の内部）から酸素や水などのカーボンナノチューブ１０を劣化させやすいガスを取り除くことができる。
このような構造を作製する場合、陽極酸化膜１１中の細孔の斜め方向からの真空蒸着によって引き出し電極は形成し、細孔の開口を被覆するのがよい。例えば、細孔の直径が１００ｎｍ以下であれば、Ａｕの斜め蒸着によって開口を被覆することができる。
【００２３】
なお、引き出し電極１４の膜厚が厚くなった場合、真空蒸着後にライトエッチングやケミカルメカニカルポリッシングを行い、引き出し電極１４を薄膜化すればよい。
また、本実施の形態の電子放出装置を低圧ないし大気圧で使用する場合、陽極酸化膜１１と引き出し電極１４、エミッタ電極１２で囲まれた領域（つまり細孔の内部）にカーボンナノチューブ１０を劣化させない、または劣化させにくいガス、例えばＨｅ、Ａｒなどのガスを外気の圧力と同程度まで充填するのがよい。
この場合、カーボンナノチューブ１０を陽極酸化膜１１の細孔の中に形成した後、上述のガス雰囲気を保持しながら、あらかじめ作製しておいたＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属ないし合金の薄膜を陽極酸化膜１１に接着し、ケミカルメカニカルポリッシングなどによって貴金属ないし合金の薄膜を薄くして引き出し電極１４とするのが好ましい。
【００２４】
図１において、カーボンナノチューブ１０および陽極酸化膜１１中の細孔が各々４個示されているが、これに限られるものではなく、本実施の形態の電子放出装置においては、カーボンナノチューブ１０および陽極酸化膜１１中の細孔は１個でも複数でもよい。また、細孔の数よりもカーボンナノチューブ１０の数が少なくても電子放出装置としては機能するため、カーボンナノチューブ１０および陽極酸化膜１１中の細孔の数は自由とすることができる。
以上のような方法で、例えば、支持体１３が石英基板（大きさ３×１０ｍｍ）、エミッタ電極１２がＴａ膜厚０．２μｍ、陽極酸化膜１１が膜厚１μｍ（Ａｌをシュウ酸中で陽極酸化）、細孔が平均直径４５ｎｍ（細孔間の距離１０５ｎｍで２次元に配列）、ＣＮＴ１０が多層カーボンナノチューブ（Ｆｅ触媒とＣ２Ｈ２ガスで作製）、平均直径３７ｎｍ、長さ平均０．４μｍ（細孔の９５％以上に形成されていた）引き出し電極１４がＡｕ膜厚７ｎｍである電子放出装置を作成することができる。
【００２５】
なお、陽極酸化膜１１、エミッタ電極１２、引き出し電極１４で囲まれた領域、すなわち細孔の内部はＨｅガスを１気圧で充填している。
この電子放出装置を大気中において、エミッタ電極１２から引き出し電極１４間に１．５ｋＶ、引出し電極１４からアース間に１５０Ｖを印加し、電子放出装置から１００μｍの距離に対抗電極として蛍光体を塗布した透明電極を置き、対抗電極を接地すると、蛍光体の発光が確認され、１０〜３Ａの電流が得られた。
以上の結果から本実施の形態の電子放出装置が大気中で良好に動作することを確認することができる。また、４０時間連続動作させた後においても、電流値は１０％程度しか低下せず、長期安定性に優れていることも確認できる。
なお、この電流値の低下は作製したカーボンナノチューブ自体に起因するものであり、カーボンナノチューブの高品質化を実現することによって、長期安定性を改善することができる。
【００２６】
次に、第２の実施形態について説明する。
図２は、第１の実施形態の電荷放出装置による帯電を示した図である。
第２の実施形態では、第１の実施形態で作製した電子放出装置を紙面から垂直の方向に２３個並べて、個々のエミッタ電極および引き出し電極を外部回路で一体化し、Ａ４判の短尺方向に相当する電子放出装置および、この電子放出装置からなる帯電装置を作製した。この帯電装置を感光体に近接させ、感光体の帯電を行う。なお、本実施の形態に用いた感光体は、有機感光体（以下、ＯＰＣという）であり、以下のような構造を有する。
まず、ドラム形状のＡｌ基体上に酸化チタン微粒子をバインダー樹脂に分散させたホール注入阻止層をディップコーティング法により厚さ１〜５μｍで形成し、その後電荷発生層（以下、ＣＧＬという）と電荷輸送層（以下、ＣＴＬという）からなる積層の有機感光層を形成する。
【００２７】
ＣＧＬは、電荷発生材料（以下、ＣＧＭという）をプチラール樹脂、熱硬化型の変性アクリル樹脂、フェノール樹脂などのバインダー樹脂に分散させたものからなり、ディッピングコーティング法により厚さ０．１〜１μｍで形成される。
ＣＧＭとしては波長７４０〜７８０ｎｍ付近に感度を持つスクエアリリウム色素、無金属フタロシアニン、金属フタロシアニン、アズレニウム塩色素、およびアゾ顔料などが、６３５〜６５０ｎｍ付近に感度のあるチアピリリウム塩や多環キノン系、ペリレン系又はアゾ顔料系などが使用できる。
ＣＴＬは、ホールのキャリア輸送材料（以下、ＣＴＭという）をビスフェノール系ポリカーボネイト樹脂などのバインダー樹脂に分散させたものからなり、膜厚は１０〜４０μｍ程度でディッピングコーティング法によって形成される。
ＣＴＭとしてはオキサジアゾール誘導体、ピラリゾン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、オキサゾール誘導体、トリアリールアミン誘導体、ブタジエン誘導体などが用いられる。
【００２８】
また、本実施の形態では、機能分離型のＯＰＣを一例として説明を行ったが、機能分離型に限定されるわけではなく、単層型のＯＰＣであってもよい。
さらに、本実施の形態では、ドラム形状のＯＰＣであるが、これに限られるものではなく、Ａｌ基体の代わりに表面に導電層を形成したベルトを採用し、ベルト状のＯＰＣとしてもよく、シート状のＯＰＣでもよい。また、本実施の形態で用いられる感光体は、ＯＰＣに限定される必要はなく、負帯電であればよいとする。例えば、ａ−ＳｅやＳｅ−Ｔｅ系の無機感光体も使用してもよい。
なお、ＯＰＣのＡｌ支持体は接地されており、ＯＰＣは１５０ｍｍ／ｓの速度で回転させているものとする。
ＯＰＣから６０μｍの距離に帯電装置を固定し、帯電装置のエミッタ電極から引き出し電極間に１．５ｋＶを印加し、引出し電極からアース間に５００Ｖ印加して、帯電装置から電子を放出させ、ＯＰＣの帯電を行う。
【００２９】
ＯＰＣの表面電位（帯電電位）は、帯電装置から２０ｍｍの位置に表面電位計おいて測定し、帯電装置と反対の位置にＬＥＤを設置してＯＰＣの除電を行う。ＯＰＣの表面電位を測定した結果、帯電電位は４５０Ｖであり、現像に対し十分なマージンがあることを確認することができる。
また、引き出し電極からアース間の電位によってＯＰＣの表面電位を制御できることも確認できる。なお、ＯＰＣをＡ４用紙６０ｃｐｍに相当する速度で回転させた場合においても、ＯＰＣには十分な帯電がなされ、本実施の形態の電子放出装置をアレイ化した電子放出装置が電子写真方式の帯電装置として十分機能することが確認できる。
また、帯電時に発生するオゾンやＮＯｘをガス検知器で定量した結果、エミッタ電極、引き出し電極の電位を最適化することによってオゾンやＮＯｘを激減させることができることがわかる。これは各々の電極の電位を制御することによって、帯電装置から引き出される電子のエネルギーをオゾンやＮＯｘが発生しないレベルまで下げることができるからである。
【００３０】
なお、本実施の形態のアレイ化とは、第１の実施形態の電子放出装置を複数個作製し、実装工程で複数並べたものとして説明したが、Ａ４判の短尺方向の長さを持つ１個の支持体上にＡ４判の短尺方向に相当する電子放出装置を並べたものも本実施の形態に含まれるものとする。
以上のように、本実施の形態のアレイ化した電子放出装置とは、実装工程で複数個の電子放出装置を並べたデバイスも、１個の支持体上に複数の細孔と複数のカーボンナノチューブを持つデバイスも合わせて第２の実施形態の帯電装置ということになる。
【００３１】
次に、第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態では、第２の実施形態で作製された帯電装置を電子写真方式の複写機の帯電システムとして搭載し、テストチャートの複写を行う。帯電電位は９００Ｖとし、磁気ブラシを用いジャンピング現像により潜像を顕在化し、転写装置によってコピー用紙に転写焼付けを行う。リファレンスは、コロトロンを搭載した複写機を用いた。
第２の実施形態の帯電装置を搭載した複写機で複写を行った結果、コロトロンを搭載した従来の複写機と同様の画像を得ることができた。また、感光体の帯電プロセス中に発生するオゾンやＮＯｘを測定した結果、第２の実施形態で作製された帯電装置を搭載した複写機ではコロトロンの１／１００〜１／１０００となっており、環境への影響が小さいことが判明した。
【００３２】
以上のように、本実施の形態の帯電装置を搭載した複写機は、オゾンやＮＯｘを低減でき、かつ良好な画像記録を行うことができる。
また、本実施の形態の複写機で連続試験を行う場合、１００時間までは複写された画像に顕著な変化は現われず、長期に渡って良好な画像が得られる。
なお、第１の実施形態と同様に帯電装置に用いたカーボンナノチューブを高品質化することによって、画像の劣化をさらに抑制することができる。
なお、第２の実施形態で作製された帯電装置を電子写真方式の複写機の帯電システムとして搭載するのみでなく、プリンタ、ファクシミリなどの画像記録装置、電子写真装置の帯電システムとして搭載してもよく、このような場合にも同様の効果が得られる。
【００３３】
次に、第４の実施形態について説明する。
図３は、第４の実施形態に係る電子写真装置を示した図である。
第４の実施形態の電子放出装置は、カーボンナノチューブ４０がアレイ化した陽極酸化膜４１の細孔の中に保持されており、個々のカーボンナノチューブ４０の一端は支持体４３上の個別化したエミッタ電極４２に接続され、負電圧が印加できる構造となっている。また、陽極酸化膜４１の細孔の開口は共通化した引き出し電極４４で被覆された構造となっている。
任意のエミッタ電極４２と引き出し電極４４の間に電界をかけることにより、任意のエミッタ電極４２に接続されたカーボンナノチューブ４０の先端のみに負の高電界が印加され、該当するカーボンナノチューブ４０の先端から電界放出によって電子が放出される。放出した電子は、細孔の開口を被覆した共通化した引き出し電極４４によって引き出され、引き出し電極４４を貫通して電子放出装置の一部の場所、すなわち電子放出しているカーボンナノチューブ４０が保持された細孔上に相当する場所から外へ導かれる。
【００３４】
本実施の形態の電子放出装置の構造においても、第１の実施形態と同様にカーボンナノチューブ４０は、陽極酸化膜４１と引き出し電極４４、エミッタ電極４２で完全に囲まれた構造となり、カーボンナノチューブ４０は外気と完全に遮断される。ここで、陽極酸化膜４１と引き出し電極４４、エミッタ電極４２で囲まれた領域、すなわち細孔の内部から酸素や水などのカーボンナノチューブ４０を劣化させやすいガスを取り除くことによって、カーボンナノチューブ４０が電界放出時に劣化することを防止することができる。
さらに本実施の形態では、電子放出装置の任意の部分からのみ電子を取り出すことができるため、本実施の形態の電子放出装置を２次元にアレイ化することによりフィールドエミッション型のディスプレイ（以下、ＦＥＤという）の電子放出源などへ応用することができる。
【００３５】
次に、第４の実施形態の電子放出装置の作製方法および構成部材について説明する。
支持体４３としては絶縁性基板がよく、例えば石英、ガラス、セラミックスなどが使用できる。また、表面に絶縁層を設けた金属、シリコン基板なども使用できる。
なお、第５の実施形態において後述するが、本実施の形態の電子放出装置を直接描画方式の帯電装置やＦＥＤに応用する場合、支持体４３としてシリコン基板を用いると個々のエミッタ電極に電圧を印加する駆動素子および駆動素子を選択する制御回路を支持体４３に作ることができ、より望ましい実施形態となる。
本実施の形態では、Ｎ型シリコン基板に酸化膜を被覆して支持体４３とし、その支持体４３上に真空蒸着ないしスパッタ法によって金属ないし合金を成膜してエミッタ電極４２とする。
【００３６】
エミッタ電極４２としては種々の金属ないし合金が使用できる。本実施の形態では、陽極酸化プロセスでエミッタ電極４２の表面導電性が低下することを防ぐため、Ｔｉ／ＡｌＳｉＣｕ／Ｔｉの３層をスパッタ法で成膜する。
その後、Ｔｉ／ＡｉＳｉＣｕ／Ｔｉを通常のフォトリソグラフィー法およびリアクティブイオンエッチング法によって個別化したエミッタ電極４２とする。レジストを剥離後、エミッタ電極４２上に真空蒸着ないしスパッタ法によってアルミニウム膜を形成し、硫酸、過塩素酸、リン酸などの酸中でアルミニウム膜を陽極酸化することによって、陽極酸化膜４１および陽極酸化膜中の細孔を得ることができる。
細孔の深さは、アルミニウム膜の膜厚で制御することができ、１〜数μｍ程度にするのが実用的である。また、細孔の直径は細孔中にカーボンナノチューブ４０を形成することを考えると、１００ｎｍ以下にするのが望ましく、細孔の直径が大きすぎる場合は良好なカーボンナノチューブが形成されにくい。
【００３７】
なお、図３では１個のエミッタ電極４２上には１個の細孔が形成されているが、これに限られるものではなく、１個のエミッタ電極４２上に複数の細孔を設けるようにしてもよい。
直接描画方式の帯電装置を作製する場合、エミッタ電極４２はトナー粒子程度まで小さくすればよく、電極幅としては約４０μｍであれば非常に高制細な画像形成装置用の帯電装置として使用することができる。なお、１個のエミッタ電極４２を大きさ４０×４０μｍと仮定すると、エミッタ電極４２上に２００×２００個以上の細孔が形成されることになる。ＦＥＤとして応用する場合も、画素面積に対応するだけの細孔を設ければよい。
陽極酸化膜４１および陽極酸化膜４１中の細孔を形成した後、細孔の中にカーボンナノチューブ４０を形成する。カーボンナノチューブ４０は、第１の実施形態と同様のものを使用することができ、本実施の形態では１Ｐａの雰囲気で真空蒸着したＮｉ微粒子を金属触媒として、Ｃ２Ｈ４をＨｅガスで希釈し、６５０℃のＣＶＤ法によって多層カーボンナノチューブを作製する。
【００３８】
また、Ｎｉ触媒金属のない領域に発生したアモルファスカーボン（ａ−Ｃ）はＣＶＤ後に大気中で６００℃の熱処理を加えることによって除去する。
本実施の形態において作製されるカーボンナノチューブ４０は、陽極酸化膜４１の細孔に沿って成長するため、配向の揃ったものができ、電子放出装置としては大きな電流を確保することができる。
また、カーボンナノチューブ４０の長さはＣＶＤ法の成長時間によって制御でき、本実施の形態に用いられるカーボンナノチューブ４０は、陽極酸化膜４１中の細孔の深さよりも短くなければならない。
カーボンナノチューブ４０を陽極酸化膜４１の細孔中に形成した後、細孔の開口を引き出し電極で被覆すると、本実施の形態の電子放出装置が完成する。
【００３９】
また、引き出し電極４４はカーボンナノチューブ４０から引き出された電子がトンネル効果によって貫通する必要があるので、極力薄くすることが望ましい。引き出し電極４４の作製法を考慮すると、１０ｎｍ以下の膜厚とするのが実用的である。
また、引き出し電極４４は、直接外気と接触するために酸化されにくい金属が望ましく、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属ないしその合金によって構成すると、長期の使用においても引き出し電極は外気によっても酸化されず、電子放出装置としての長期の信頼性が得られる。
本実施の形態では、カーボンナノチューブ４０を陽極酸化膜４１の細孔の中に形成した後、Ｈｅ１気圧の雰囲気において、あらかじめ作製しておいたＡｕ−Ｐｔ合金の薄膜を陽極酸化膜４１に接着し、ケミカルメカニカルポリッシングによってＡｕ−Ｐｔ薄膜を薄くして共通の引き出し電極とする。
【００４０】
以上のような方法で、例えば、支持体４３がＮ型シリコン基板（大きさ１×１５ｍｍ）、個別のエミッタ電極４２がＴｉ／ＡｉＳｉＣｕ／Ｔｉ膜厚０．１／１／０．０５μｍ、電極面積４０×４０μｍ、陽極酸化膜４１の膜厚１μｍ（Ａｌを硫酸中で陽極酸化）、細孔の平均直径４０ｎｍ（細孔間の距離１２０ｎｍで１個のエミッタ電極上に２４０×２４０個配列）、ＣＮＴ４０の多層カーボンナノチューブ（Ｎｉ触媒とＣ２Ｈ４ガスで作製）、平均直径３３ｎｍ、長さ平均０．８μｍ（細孔の９８％以上に形成されていた）、共通の引き出し電極４４がＡｕ−Ｐｔ膜厚５ｎｍである電子放出装置を作製することができる。
なお、陽極酸化膜４１、エミッタ電極４２、引き出し電極４４で囲まれた領域、すなわち細孔の内部はＨｅガスを１気圧で充填しているものとする。
【００４１】
この電子放出装置を大気中において任意のエミッタ電極４２〜引き出し電極４４間に１．５ｋＶ、引出し電極４４からアース間に３００Ｖ印加し、電子放出装置から２０μｍの距離に対抗電極として蛍光体を塗布した透明電極を置き、対抗電極を接地すると、任意のエミッタ電極上の蛍光体にスポット状の発光が現われ、電子放出装置の任意の場所からのみ電子を放出させることができる。
また、電子放出装置の個別のエミッタ電極４２をシフトレジスターに接続し、時系列で個々のエミッタ電極４２に負電圧を印加すると、蛍光体上の発光点が順次移動することが確認できる。
なお、本実施の形態では、エミッタ電極４２を個別化し、引き出し電極４４を共通化したが、これに限られるものではなく、エミッタ電極４２を共通化し、引き出し電極４４を個別化するようにしてもよい。
【００４２】
次に、第５の実施形態について説明する。
図４は、第５の実施形態の電子放出装置による帯電を示した図である。
本実施の形態では、電子放出装置に接続される駆動素子５０、制御回路５１を設け、さらに第４の実施形態によって作製した電子放出装置を紙面から垂直の方向に１６個並べたＡ４判の短尺方向に相当する電子放出装置（直接描画用の帯電装置となる）と誘電体を利用する。
まず、駆動素子５０、電子放出装置の作製法および制御回路との実装法について説明する。
Ｎ型シリコン基板にツインウエルを作製し、その後Ｃ−ＭＯＳからなる高耐圧のトランジスターからなる複数の駆動素子を作り込んだ後、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ2膜によって駆動素子を被覆し、さらにフォトリソグラフィーおよびエッチングによってＳｉＯ2膜に複数のコンタクトホールを形成する。
【００４３】
その後、第４の実施形態のようにＳｉＯ2膜上にエミッタ電極４２、陽極酸化膜４１、細孔、カーボンナノチューブ４０、引き出し電極４４を作製し、複数のコンタクトホールを介してエミッタ電極４２と駆動素子５０を導通させる。制御回路５１を組み込んだＬＳＩを表面実装し、駆動素子５０と制御回路５１を接続する。これにより、複数のブロックに分割され、個々のブロックに対応して駆動素子５０を設けた電子放出装置が完成する。
なお、本実施の形態では、エミッタ電極４２の大きさが４０×４０μｍになっているので、ひとつのブロックには細孔、すなわちカーボンナノチューブ４０による電子放出の点が２４０×２４０個入り、全体としてＡ４判短尺の長さがあることから、１個の帯電器は４０００個以上のブロックに分割されていることになる。この電子放出装置を紙面から垂直の方向に１６個並べ、Ａ４判の短尺方向に相当する電子放出素子（直接描画方式の帯電装置となる）とする。なお、外部回路により１６個の引き出し電極を共通化し、さらに１６個分の制御回路５１を統合する回路を別途に設け、Ａ４判の帯電装置として動作するようになっている。
【００４４】
また、図４において駆動素子５０はブロック図で示されており、Ｎ型シリコン基板上に作り込まれていないように見えるが、この図は概念を示したものであり、実際はＮ型シリコン基板上に電子放出装置を構成するエミッタ電極４２、陽極酸化膜４１、細孔、カーボンナノチューブ４０、引き出し電極４４および駆動素子５０が作り込まれ、制御回路５１が表面実装されており、帯電装置として一体化しているものとする。
この帯電装置を被帯電体５２に近接させ、被帯電体５２に帯電を行う。なお、本実施の形態に用いた被帯電体５２は、ドラム形状のＡｌ基体上に誘電体層であるポリイミドを２５μｍ厚さでディップコーティング法により成膜したものである。その他に使用できる誘電体層としては、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4などの無機絶縁膜や一般的な有機絶縁性樹脂などがある。
また、本実施の形態ではドラム形状の被帯電体５２としたが、Ａｌ基体の代わりに表面に導電層を形成したベルトを採用し、ベルト状の被帯電体５２としてもよく、シート状の被帯電体５２でもよい。
なお、本実施の形態の誘電体のＡｌ支持体は接地されており、被帯電体５２は１５０ｍｍ／ｓの速度で回転させるものとする。
【００４５】
被帯電体５２から２０μｍの距離に帯電装置を固定し、制御回路５１により複数の駆動素子５０のうち任意の駆動素子５０のみを連続的に動作させ、任意の駆動素子５０に接続したエミッタ電極４２にのみ連続的に１．２ｋＶの負電圧を印加し、共通化した引出し電極４４からアース間に１５０Ｖ印加し、被帯電体５２を帯電させる。
その後、２次元のマトリックス状に被帯電体５２の表面電位を測定すると、選択した駆動素子５０に接続されたブロック上の被帯電体５２の表面のみが被帯電体５２の回転方向によって直線状に帯電する。
また、同様に任意の駆動素子５０を時系列で動作させ、任意の駆動素子５０に接続したエミッタ電極４２に時系列の負電圧を印加し、共通化した引出し電極４４からアース間に１５０Ｖ印加し、誘電体を帯電させると、動作させた駆動素子５０に接続されたブロック上の被帯電体５２の表面にスポット状の帯電を確認することができる。これにより、本実施の形態の帯電装置が直接描画方式の帯電装置として十分使用できることが確認できる。
【００４６】
なお、本実施の形態でのアレイ化とは、第５の実施形態の電子放出装置を複数個作製し、実装工程で複数並べたものとして説明したが、Ａ４判の短尺方向の長さを持つ１個の支持体４３上にＡ４判の短尺方向に相当する電子放出装置を並べたものも本実施の形態に含まれるものとする。
以上のように、本実施の形態のアレイ化した電子放出装置とは、実装工程で複数個の電子放出装置を並べたデバイスも、１個の支持体上に複数の細孔と複数のカーボンナノチューブを持つデバイスも合わせて第５の実施形態の帯電装置ということになる。
【００４７】
次に、第６の実施形態について説明する。
第６の実施形態では、電子写真方式のプリンタに第５の実施形態で作製した帯電装置を搭載し、感光体の変わりにポリイミド（厚さ２５μｍ）／Ａｌ基体の被帯電体を載せて画像出力を行う。
本実施の形態で用いたプリンタでは、露光装置を停止し、制御回路に直接画像信号を入力し、磁気ブラシ現像により被帯電体の潜像を顕在化し、転写装置によってコピー用紙に転写焼付けを行う。なお、除電には除電ブラシを用いることとする。その結果、従来のプリンタの画像と比較すると、高精細な画像を得ることができ、これは従来のプリンタの露光器のスポット径よりも、本実施の形態の電子放出装置の１ブロックの大きさが小さいためである。
また、第６の実施形態で作製された帯電装置は、複写機、ファクシミリ、プリンターなどのあらゆる直接描画方式の画像記録装置においても使用することができる。なお、本実施の形態では一例として電子放出装置や駆動回路、制御回路を一体で作り込む場合について説明したが、これに限られるものではなく、本実施の形態では電子放出装置や駆動回路、制御回路を一体で作り込まずに別の基板に駆動回路、制御回路を作り、電子放出装置と接続するようにしてもよい。
【００４８】
次に、第７の実施形態について説明する。
第６の実施形態では電子放出装置を１次元方向に長尺化し、帯電装置へ応用する場合について説明したが、第７の実施形態のように２次元に大面積化することによって、電子放出装置をＦＥＤの電子放出源として使用することもできる。
ＦＥＤとして使用する場合、蛍光体を塗布した透明電極からなる対抗電極を電子放出素子から一定の位置に固定すればよい。
本実施の形態の電子放出装置をＦＥＤの電子放出源としても使用した場合、カーボンナノチューブは陽極酸化膜、エミッタ電極、引き出し電極で囲まれた構造となるため、ＦＥＤのシールが不十分で合った場合でもＦＥＤ内へ流入する大気によってもカーボンナノチューブが劣化することがなく、長期信頼性を高めることができる。また、ＦＥＤのシール工程を簡便化できることから、低コスト化を図ることもできる。
【００４９】
以上のように、各実施形態の電子放出装置は、陽極酸化膜中の細孔にカーボンナノチューブが保持されている電子放出装置では、細孔の開口が引き出し電極で被覆されている。また、電子放出装置において、カーボンナノチューブから電界放出により引き出された電子が引き出し電極を貫通して電子放出素子の外部へ放出されるようになっている。
また、電子放出装置において引き出し電極がＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属ないしその合金によって構成されるようになっている。さらに、電子放出装置をアレイ化した帯電装置を構成することができる。
アレイ化した電子放出装置において、電子放出装置が複数のブロックに分割されており、個々のブロックに対応して駆動素子を設けることができる。また、帯電装置を電子写真方式の画像形成装置に搭載して利用することもできる。
さらに、電子放出装置をアレイ化することにより直接描画方式の帯電装置を構成することもでき、この直接描画用の帯電装置を直接描画方式の画像形成装置に搭載して利用することもできる。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明では、カーボンナノチューブは、エミッタ電極と陽極酸化膜と引き出し電極とに囲まれているので、カーボンナノチューブは外気と完全に遮断され、陽極酸化膜と引き出し電極、エミッタ電極で囲まれた領域である細孔の内部から酸素や水などのカーボンナノチューブを劣化させやすいガスを取り除くことができ、カーボンナノチューブが電界放出時に劣化することを防止することができる。
【００５１】
請求項２記載の発明では、カーボンナノチューブから電界放出される電子は、引き出し電極を貫通して外部へ放出されるので、トンネル効果によって貫通して電子放出装置の外部へ放出されることになり、電流の損失が小さく、大きな電流を得ることができる。
請求項３記載の発明では、引き出し電極が、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）などの貴金属またはその合金によって形成されるので、引き出し電極が直接接外気と接触しても酸化されにくく、長期に渡り良好な電子放出特性を維持することができる。
【００５２】
請求項４記載の発明では、請求項１、請求項２、請求項３のうちいずれか１に記載の電子放出装置を複数並べたので、アレイ化した構造を持ち、比較的大きな電子放出面を持つことができ、その結果電子放出装置を帯電装置やＦＥＤなどへ応用することができる。
請求項５記載の発明では、複数並べられている電子放出装置を所定数ずつのブロックに分割し、この分割された各ブロック内の各電子放出装置のエミッタ電極と導通する駆動素子をさらに備えたので、駆動素子のうち任意の駆動素子を動作させることによって、駆動素子に接続されたブロックのみに電圧を印加でき、電子放出素子の任意の一部からのみ電子を取り出すことができる。
【００５３】
請求項６記載の発明では、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４のうちいずれか１に記載の電子放出装置を用いて帯電装置としたので、感光体に対し十分な現像マージンを持って帯電することができ、引き出し電極の電位によって感光体の表面電位が制御できる。また、エミッタ電極、引き出し電極の電位を最適化することにより、帯電器から引き出される電子のエネルギーをオゾンやＮＯｘが発生しないレベルまで下げることができ、その結果従来のコロトロンやスコロトロンと比較しオゾンやＮＯｘは激減させることができ、帯電ローラ以下のオゾン、ＮＯｘ発生量を実現することができる。
請求項７記載の発明では、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４のうちいずれか１に記載の電子放出装置を用いて直接描画方式の帯電装置としたので、複数のブロックに分割され個々のブロックに対応して駆動素子を設けられた電子放出素子から構成されることにより、駆動素子のうち任意の駆動素子を動作させることができ、この駆動素子に接続されたブロックのみに電圧を印加し、電子放出素子の任意の一部からのみ電子を取り出すことができるので、被帯電体表面を小さなスポット状で帯電することができる。
【００５４】
請求項８記載の発明では、請求項６に記載の帯電装置を搭載した画像形成装置であるので、感光体を良好に帯電でき、従来のコロトロンやスコロトロンを用いた画像形成装置と同等の画像出力が可能であり、画像出力時においては、従来のローラ帯電方式以下のオゾン、ＮＯｘ発生量とすることができる。
請求項９記載の発明では、請求項７に記載の直接描画方式の帯電装置を搭載した画像形成装置であるので、帯電される最小のスポット径を小さくでき、その結果、１ピクセルのサイズを小さくできるため高精細の画像を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る電子放出装置を示した図である。
【図２】第１の実施形態の電子放出装置による帯電を示した図である。
【図３】第４の実施形態に係る電子放出装置を示した図である。
【図４】第４の実施形態の電子放出装置による帯電を示した図である。
【図５】従来の電子放出素子を示した図（１）である。
【図６】従来の電子放出素子を示した図（２）である。
【符号の説明】
１０ カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
１１ 陽極酸化膜
１２ エミッタ電極
１３ 支持体
１４ 引き出し電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron-emitting device that emits electrons, such as a light-emitting device using an electron-emitting device and a field emission display in which electron-emitting devices are two-dimensionally arrayed, and a charging device and a charging device using the electron-emitting device. The present invention relates to an image forming apparatus such as a copying machine, a printer, and a facsimile using the apparatus.
[0002]
[Prior art]
Generally, a carbon nanotube (hereinafter referred to as CNT) has a fibrous structure in which one or a few to several tens of cylinders having a graphite-like carbon atom face are arranged in a nested manner, and the diameter thereof is nano. The material is extremely small in the order of meters and has a very large aspect ratio (length / diameter ratio) with a size in the axial direction (the length of the carbon nanotube) reaching the order of μm.
Moreover, since the side surface of CNT consists only of SP2 hybrid orbitals of carbon atoms, there is no dangling bond and it is chemically stable. In addition, since CNT has a seamless structure, it has a very large Young's modulus (Y> 1 Tpa), and has a feature that stress can be relaxed by buckling. Furthermore, CNTs have a wide range of electrical properties from metals to semiconductors depending on chirality and diameter.
Thus, since CNT has various unique characteristics, it is expected to be applied to the industry as a new carbon material.
[0003]
In particular, since the tip of the CNT is a hemisphere having a diameter on the order of nanometers, electric field concentration can be easily obtained by applying a voltage, and field emission can be realized at a low voltage. A. G. Rinzler, R.A. E. Smalley et al. Experimentally reported field emission from a single multi-wall carbon nanotube (MWNT) (see Science 269, 1550 (1995)).
As described above, since CNT has electron emission at a low voltage, chemical stability, and physical toughness, it is highly expected as an electron-emitting device, and many studies have been made. In recent years, higher density and orientation control of CNT are being realized, and an electron-emitting device capable of obtaining a larger current has been produced.
[0004]
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 10-12124, by forming CNTs in the pores in the anodized film (see FIG. 5), the density of the CNTs is increased, and the openings of the pores are formed. There has been disclosed a technique for increasing the efficiency of an electron-emitting device by providing an extraction electrode to efficiently guide electrons extracted from the CNTs to the outside of the pores.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-194134 discloses a technique for improving the orientation of the CNTs and increasing the efficiency of the electron-emitting device by surrounding the conductive surface and the CNT bonding portion with a barrier (see FIG. 6). Is disclosed.
On the other hand, the application of CNTs as an image forming device has been reported by Yamaguchi, Nakayama et al. (See Japan Hardcopy '97 Abstract p221). They confirmed the field emission in a vacuum using a linear electron beam source, and showed the possibility that a linear electron beam source using CNT can replace the corona charger. The field emission in the atmosphere has also been confirmed using, and the possibility of direct drawing is disclosed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique of the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-194134, field emission is all performed in a high vacuum, and there is no description regarding the case of operating in a low vacuum or atmospheric pressure.
In general, in the field emission from CNT, the tip of CNT may be deteriorated by oxygen or water in the atmosphere, and when it is operated in a low vacuum or atmospheric pressure, the current obtained by the electron-emitting device may be reduced. .
Moreover, although electron emission has been confirmed at a low voltage in a vacuum, when the current flowing through one CNT exceeds 10-12A at atmospheric pressure, the current value once decreases with respect to the voltage, and then the initial rise is reproduced. In some cases, CNT may deteriorate.
[0006]
As described above, the current that can be passed through one CNT is reduced in the atmosphere, and in order to realize an image forming device using CNT, it is necessary to solve the above-described problems. Although the problem can be solved by increasing the density of CNTs and reducing the current per CNT, all the chemical vapor deposition methods (CVD methods) suitable for increasing the density of CNTs are effective. It is impossible to make the CNT emission start voltages uniform, and a large current flows through the CNTs having a low emission start voltage, making it difficult to completely suppress CNT degradation.
[0007]
Accordingly, a first object of the present invention is to provide an electron-emitting device, a charging device, and an image forming device that use a carbon nanotube and have a stable electron-emitting ability at a low voltage without deterioration of the device even under atmospheric pressure. Is to provide a device.
A second object of the present invention is to use an electron-emitting device using carbon nanotubes as a charger, so that it is stable even at atmospheric pressure, operates at a low voltage, generates less ozone and NOx, a charging device, and An image forming apparatus is provided.
A third object of the present invention is to provide an electron emission device, a charging device, and an image forming apparatus capable of stably obtaining a good image without generating ozone or NOx.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the first aspect of the present invention, a support composed of quartz, glass, ceramics, metal, silicon substrate, etc., an emitter electrode formed by depositing a metal or alloy on one side of the support, A plurality of anodized films formed by anodizing a plurality of aluminum films placed on the emitter electrode at predetermined intervals in an acid such as sulfuric acid or perchloric acid, and each of the plurality of anodized films A pore formed between the anodized films and having an opening opposite to the emitter electrode, and a bottom surface in contact with the emitter electrode in the pores formed between the anodized films of the plurality of anodized films The carbon nanotubes that field-emit electrons and cover the pore openings , Au (gold), Pt (platinum), Pd (palladium) and other precious metals or alloys thereof An electron emission device comprising: an extraction electrode; wherein the carbon nanotube is surrounded by the emitter electrode, the anodic oxide film, and the extraction electrode. Offer To do.
[0009]
In invention of Claim 2, ,in front Electrons emitted from the carbon nanotubes are emitted to the outside through the extraction electrode. The electron-emitting device according to claim 1 is provided. To do.
In invention of Claim 3, An electron emission device comprising a plurality of electron emission devices according to claim 1 or 2 arranged. To do.
[0010]
In invention of Claim 4, The plurality of arranged electron emission devices are divided into a predetermined number of blocks, and further provided with a drive element that is electrically connected to the emitter electrode of each electron emission device in each divided block. Item 3. An electron emission device according to item 3 is provided. To do.
In invention of Claim 5, A charging device using the electron-emitting device according to any one of claims 1, 2, and 3. To do.
[0011]
In the invention according to claim 6, claim 1, claim 2, claim 2 Three Any one of the electron emission devices described in the above was used. Providing a direct drawing charging device To do.
In the invention of claim 7, the claim of claim An image forming apparatus comprising the charging device according to claim 5 is provided. To do.
[0012]
In the invention described in claim 8, it is described in claim 6. Direct drawing method Equipped with a charging device It is characterized by Image forming apparatus Provide To do.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 1 is a view showing an electron emission apparatus according to the first embodiment.
In an electron emission device which is an electron emission element, a carbon nanotube (hereinafter sometimes abbreviated as CNT) 10 is held in the pores of the anodized film 11, and one end of the carbon nanotube 10 is attached to a support 13. It is connected to the upper emitter electrode 12 so that a negative voltage can be applied. The opening of the pores of the anodic oxide film 11 is covered with the extraction electrode 14.
When an electric field is applied between the emitter electrode 12 and the extraction electrode 14 of the electron emission device, a negative high electric field is applied to the tip of the carbon nanotube 10, and electrons are emitted from the tip of the carbon nanotube 10 by field emission. Further, the emitted electrons are extracted by the extraction electrode 14 covering the opening, and are guided through the extraction electrode 14 to the outside of the electron emission device.
[0014]
According to the structure of the present embodiment, the carbon nanotube 10 is completely surrounded by the anodic oxide film 11, the extraction electrode 14, and the emitter electrode 12, and the carbon nanotube 10 is completely blocked from the outside air. Here, by removing a gas that easily deteriorates the carbon nanotube 10 such as oxygen or water from the region surrounded by the anodic oxide film 11, the extraction electrode 14, and the emitter electrode 12, that is, the inside of the pore, It is possible to prevent deterioration during release.
According to the electron emission device of the present embodiment, since the carbon nanotubes 10 are completely blocked from the outside air even in a high vacuum state, a low vacuum, or the atmosphere, the deterioration of the tips of the carbon nanotubes 10 during field emission is significantly reduced. A stable current can be obtained over a long period of time, and the life of the electron-emitting device can be extended.
[0015]
Next, a method for manufacturing the electron-emitting device of this embodiment and each component will be described.
The support 13 may be insulative, conductive, or semiconductive, and for example, quartz, glass, ceramics, metal, silicon substrate, or the like can be used. A metal or alloy film is formed on the support 13 by vacuum deposition, sputtering, or the like to form the emitter electrode 12.
As the emitter electrode 12, various metals or alloys can be used. Especially when Ti (titanium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Mo (molybdenum), Zr (zirconium) or the like is used, the subsequent anodic oxidation process is performed. The conductivity of the surface does not change depending on the reason, so it is preferable in view of simplification of the process.
[0016]
Even when a metal or alloy other than the above is used and the surface of the emitter electrode 12 becomes nonconductive after the polar oxidation process, the emitter electrode 12 can be made conductive by light etching. It is not limited to the aforementioned metals.
When a metal is used as the support 13, the support 13 itself can be used as the emitter electrode 12, and in this case, the emitter electrode 12 does not need to be newly formed. Thereafter, an aluminum film is formed on the emitter electrode 12 by vacuum deposition or sputtering, and the aluminum film is anodized in an acid such as sulfuric acid, perchloric acid, phosphoric acid, etc. Can be produced.
[0017]
The depth of the pores can be controlled by the thickness of the aluminum film, and is practically about 1 to several μm. Further, considering that the carbon nanotubes 10 are formed in the pores, it is desirable that the pore diameter is 100 nm or less. If the pore diameter is too large, it is difficult to form a good carbon nanotube 10.
When aluminum is used as the emitter electrode 12, pores may be formed by anodizing the surface side of the aluminum, and a portion not anodized may be used as the emitter electrode 12.
Further, when aluminum metal was used as the support 13, the emitter electrode 12 was not newly formed, and a part of the aluminum metal as the support 13 was directly anodized to form pores, and was not anodized. A portion of the support 13 may be used as the emitter electrode 12.
When the pores in the anodic oxide film 11 do not reach the emitter electrode 12, the entire anodic oxide film 11 is formed by an etching method having good directivity such as reactive ion etching, cyclotron resonance ion etching, or ion beam etching after anodic oxidation. Is etched so that the pores reach the emitter electrode 12.
[0018]
After forming the anodic oxide film 11 and the pores in the anodic oxide film 11, the carbon nanotubes 10 are formed in the pores.
The carbon nanotube 10 includes a single-walled carbon nanotube and a multi-walled carbon nanotube. The single-walled carbon nanotube has a diameter of about 0.7 to 5 nm and a length of 10 nm to 1 μm.
On the other hand, the multi-walled carbon nanotube has a diameter of 1 to 500 nm, a length of 5 nm to 1 mm, a size that is easier to synthesize, a diameter of 2 to 50 nm, and a length of 1 μm or more. Both carbon nanotubes have an extremely fine fiber shape with a very large aspect ratio.
In addition, the carbon nanotube 10 of this Embodiment is not limited to the range of the above-mentioned size, Suppose that it should just be a carbon nanotube with a diameter of less than 1 micrometer.
[0019]
Generally, the carbon nanotube 10 is synthesized by an arc discharge method, a laser ablation method, or a chemical vapor deposition method (hereinafter abbreviated as a CVD method). In order to prepare the alignment in the pores of the anodic oxide film 11, it is desirable to use the CVD method.
Here, the CVD method means a catalyst such as a metal such as Fe (iron), Ni (nickel), Co (cobalt), or an alloy thereof, or an oxide of the aforementioned metal at the bottom of the pores of the anodic oxide film 11. After forming a layer and making catalyst metal fine particles on the order of 1 nm to several tens of nm by heating or the like, CH Four , C 2 H 2 , C 2 H Four The carbon nanotubes 10 are grown from the catalyst metal by introducing a hydrocarbon gas such as the above and performing thermal decomposition of the hydrocarbon gas at around 600 to 1200 ° C.
In addition to pyrolysis, the hydrocarbon gas may be decomposed using a hot filament, microwave plasma, RF plasma, or the like. Also, instead of hydrocarbon gas, CO 2 CO gas can also be used. He, Ar, N 2 The hydrocarbon gas may be diluted with a gas such as
[0020]
Since the produced carbon nanotubes 10 grow along the pores of the anodic oxide film 11, they can be aligned, and a large current can be obtained as an electron emission device.
Since the diameter of the carbon nanotube 10 can be controlled to some extent by the fine particle diameter of the catalyst, the diameter of the carbon nanotube 10 is controlled by optimizing the pore diameter of the anodic oxide film 11 and the fine particles of the catalytic metal. ing.
Further, the length of the carbon nanotube 10 can be controlled by the growth time of the CVD method. Note that the carbon nanotubes 10 used in the present embodiment must be shorter than the depth of the pores of the anodic oxide film 11.
When the carbon nanotube 10 is produced by the CVD method, amorphous carbon (a-C) is deposited in a region where there is no catalyst metal. Since this amorphous carbon has a lower oxidation temperature than the carbon nanotube 10, it can be removed by applying a heat treatment at 600 ° C. in an oxidizing atmosphere or air after the CVD method.
[0021]
After the carbon nanotubes 10 are formed in the pores of the anodic oxide film 11, the opening of the pores is covered with the extraction electrode 14 to complete the electron emission device.
Here, it is desirable to make the extraction electrode 14 as thin as possible because electrons extracted from the carbon nanotubes 10 need to penetrate through the tunnel effect. Considering the method for producing the extraction electrode 14, it is practical to set the film thickness to 10 nm or less.
Since the extraction electrode 14 is in direct contact with the outside air, a metal that is not easily oxidized is desirable. For example, when it is made of a noble metal such as Au, Pt, or Pd or an alloy thereof, the extraction electrode is not oxidized even by long-term use, and the long-term reliability of the electron-emitting device is improved.
[0022]
In the electron emission device of the present embodiment, if the difference between the pressure of the outside air and the pressure in the region surrounded by the anodic oxide film 11, the extraction electrode 14, and the emitter electrode 12 is large, the stress applied to the extraction electrode 14 increases. This causes deterioration of the extraction electrode 14. In order to avoid this, when the electron-emitting device of this embodiment is used in a high vacuum state, the region surrounded by the anodic oxide film 11, the extraction electrode 14, and the emitter electrode 12 must also be maintained in a high vacuum state. I must. As a result, it is possible to remove a gas that easily deteriorates the carbon nanotubes 10 such as oxygen and water from the region surrounded by the anodic oxide film 11, the extraction electrode 14, and the emitter electrode 12 (that is, inside the pores).
In the case of producing such a structure, it is preferable that the extraction electrode is formed by vacuum deposition from the oblique direction of the pores in the anodic oxide film 11 to cover the opening of the pores. For example, if the pore diameter is 100 nm or less, the opening can be covered by oblique deposition of Au.
[0023]
When the thickness of the extraction electrode 14 is increased, light extraction or chemical mechanical polishing may be performed after vacuum deposition to thin the extraction electrode 14.
Further, when the electron emission device of the present embodiment is used at a low pressure or atmospheric pressure, the carbon nanotube 10 is deteriorated in a region surrounded by the anodic oxide film 11, the extraction electrode 14, and the emitter electrode 12 (that is, inside the pore). It is preferable to fill a gas that is not allowed to deteriorate or hardly deteriorate, for example, a gas such as He or Ar, to the same extent as the pressure of the outside air.
In this case, after the carbon nanotubes 10 are formed in the pores of the anodic oxide film 11, a precious metal or alloy thin film such as Au, Pt, Pd or the like prepared in advance is maintained while maintaining the above gas atmosphere. It is preferable to adhere to the oxide film 11 and thin the noble metal or alloy thin film by chemical mechanical polishing or the like to form the extraction electrode 14.
[0024]
In FIG. 1, the pores in the carbon nanotube 10 and the anodic oxide film 11 are respectively 4 Although shown individually, the present invention is not limited to this. In the electron emission device of the present embodiment, the carbon nanotube 10 and the anodic oxide film 11 may have one or more pores. Further, even if the number of the carbon nanotubes 10 is smaller than the number of the pores, it functions as an electron emission device, so that the number of pores in the carbon nanotubes 10 and the anodic oxide film 11 can be made free.
By the above method, for example, the support 13 is a quartz substrate (size 3 × 10 mm), the emitter electrode 12 is Ta film thickness 0.2 μm, the anodic oxide film 11 film thickness 1 μm (Al is anode in oxalic acid) Oxidation), pores having an average diameter of 45 nm (two-dimensional arrangement with a distance between the pores of 105 nm), CNT10 having multi-walled carbon nanotubes (produced with Fe catalyst and C2H2 gas), average diameter of 37 nm, length average of 0.4 μm (fine It is possible to produce an electron-emitting device in which the lead electrode 14 (formed in 95% or more of the holes) has an Au film thickness of 7 nm.
[0025]
Note that the region surrounded by the anodic oxide film 11, the emitter electrode 12, and the extraction electrode 14, that is, the inside of the pore is filled with He gas at 1 atm.
In the atmosphere, 1.5 kV was applied between the emitter electrode 12 and the extraction electrode 14 and 150 V between the extraction electrode 14 and the ground, and a phosphor was applied as a counter electrode at a distance of 100 μm from the electron emission device. When the transparent electrode was placed and the counter electrode was grounded, emission of the phosphor was confirmed, and a current of 10 to 3 A was obtained.
From the above results, it can be confirmed that the electron-emitting device of this embodiment operates well in the atmosphere. Further, even after 40 hours of continuous operation, the current value decreases only by about 10%, and it can be confirmed that the long-term stability is excellent.
Note that this decrease in current value is caused by the produced carbon nanotubes themselves, and long-term stability can be improved by realizing high quality of the carbon nanotubes.
[0026]
Next, a second embodiment will be described.
FIG. 2 is a diagram illustrating charging by the charge discharge device according to the first embodiment.
In the second embodiment, 23 electron-emitting devices fabricated in the first embodiment are arranged in a direction perpendicular to the paper surface, and the individual emitter electrodes and extraction electrodes are integrated by an external circuit, which corresponds to the short direction of A4 size. An electron emitting device and a charging device including the electron emitting device were manufactured. The charging device is brought close to the photoconductor to charge the photoconductor. The photoconductor used in the present embodiment is an organic photoconductor (hereinafter referred to as OPC) and has the following structure.
First, a hole injection blocking layer in which titanium oxide fine particles are dispersed in a binder resin is formed on a drum-shaped Al substrate with a thickness of 1 to 5 μm by a dip coating method, and then a charge generation layer (hereinafter referred to as CGL) and charge transport. A laminated organic photosensitive layer composed of layers (hereinafter referred to as CTL) is formed.
[0027]
CGL is made by dispersing a charge generating material (hereinafter referred to as CGM) in a binder resin such as a peticular resin, a thermosetting modified acrylic resin, a phenol resin, etc., and has a thickness of 0.1 to 1 μm by a dipping coating method. It is formed.
CGM includes squarylium dye, metal-free phthalocyanine, metal phthalocyanine, azurenium salt dye, and azo pigment having a sensitivity in the vicinity of a wavelength of 740 to 780 nm. Or azo pigments can be used.
The CTL is formed by dispersing a hole carrier transport material (hereinafter referred to as CTM) in a binder resin such as a bisphenol-based polycarbonate resin, and has a film thickness of about 10 to 40 μm and is formed by a dipping coating method.
As the CTM, an oxadiazole derivative, a pyrarizone derivative, a triphenylmethane derivative, an oxazole derivative, a triarylamine derivative, a butadiene derivative, or the like is used.
[0028]
In this embodiment, the function separation type OPC is described as an example. However, the present invention is not limited to the function separation type and may be a single layer type OPC.
Furthermore, in the present embodiment, the drum-shaped OPC is not limited to this, but a belt having a conductive layer formed on the surface instead of the Al base may be adopted to form a belt-shaped OPC. OPC may be used. Further, the photoreceptor used in the present embodiment is not limited to OPC, and may be negatively charged. For example, an a-Se or Se-Te inorganic photoreceptor may be used.
The OPC Al support is grounded, and the OPC is rotated at a speed of 150 mm / s.
The charging device is fixed at a distance of 60 μm from the OPC, 1.5 kV is applied between the emitter electrode and the extraction electrode of the charging device, 500 V is applied between the extraction electrode and the ground, and electrons are emitted from the charging device. Perform charging.
[0029]
The surface potential (charging potential) of the OPC is measured with a surface potential meter at a position 20 mm from the charging device, and the OPC is neutralized by installing an LED at a position opposite to the charging device. As a result of measuring the surface potential of OPC, the charging potential is 450 V, and it can be confirmed that there is a sufficient margin for development.
It can also be confirmed that the surface potential of the OPC can be controlled by the potential between the extraction electrode and the ground. Even when the OPC is rotated at a speed corresponding to 60 cpm of A4 paper, the OPC is sufficiently charged, and the electron emission device in which the electron emission device of this embodiment is arrayed is an electrophotographic charging device. It can be confirmed that it functions sufficiently.
In addition, as a result of quantifying ozone and NOx generated during charging with a gas detector, it is understood that ozone and NOx can be drastically reduced by optimizing the potentials of the emitter electrode and extraction electrode. This is because the energy of electrons extracted from the charging device can be lowered to a level at which ozone and NOx are not generated by controlling the potential of each electrode.
[0030]
In the present embodiment, arraying is described as a case where a plurality of electron-emitting devices according to the first embodiment are manufactured and arranged in a mounting process. This embodiment includes an electron-emitting device corresponding to an A4 size in the short direction on a single support.
As described above, the arrayed electron-emitting device of the present embodiment is a device in which a plurality of electron-emitting devices are arranged in the mounting process, and a plurality of pores and a plurality of carbon nanotubes on one support. The device having the above is also the charging device of the second embodiment.
[0031]
Next, a third embodiment will be described.
In the third embodiment, the charging device manufactured in the second embodiment is mounted as a charging system of an electrophotographic copying machine, and a test chart is copied. The charging potential is set to 900 V, a latent image is made visible by jumping development using a magnetic brush, and transfer printing is performed on a copy sheet by a transfer device. The reference was a copier equipped with corotron.
As a result of copying with a copying machine equipped with the charging device of the second embodiment, an image similar to that of a conventional copying machine equipped with a corotron could be obtained. In addition, as a result of measuring ozone and NOx generated during the charging process of the photoreceptor, the copying machine equipped with the charging device manufactured in the second embodiment is 1/100 to 1/1000 of the corotron, It was found that the impact on the environment was small.
[0032]
As described above, a copying machine equipped with the charging device of the present embodiment can reduce ozone and NOx, and can perform good image recording.
When a continuous test is performed with the copying machine of the present embodiment, no significant change appears in the copied image until 100 hours, and a good image can be obtained over a long period of time.
As in the first embodiment, image quality deterioration can be further suppressed by improving the quality of the carbon nanotubes used in the charging device.
The charging device manufactured in the second embodiment can be mounted not only as a charging system for an electrophotographic copying machine but also as a charging system for an image recording apparatus such as a printer or a facsimile or an electrophotographic apparatus. In such a case, the same effect can be obtained.
[0033]
Next, a fourth embodiment will be described.
FIG. 3 is a view showing an electrophotographic apparatus according to the fourth embodiment.
The electron emission device of the fourth embodiment is held in the pores of an anodized film 41 in which
By applying an electric field between the arbitrary emitter electrode 42 and the extraction electrode 44, a negative high electric field is applied only to the tip of the
[0034]
Also in the structure of the electron emission device of the present embodiment, the
Furthermore, in this embodiment mode, electrons can be taken out only from an arbitrary part of the electron emission device. Therefore, a field emission type display (hereinafter referred to as FED) is formed by arraying the electron emission device of this embodiment in two dimensions. It can be applied to an electron emission source.
[0035]
Next, a manufacturing method and components of the electron emission device according to the fourth embodiment will be described.
The support 43 is preferably an insulating substrate, and for example, quartz, glass, ceramics, or the like can be used. Further, a metal provided with an insulating layer on the surface, a silicon substrate, or the like can be used.
As will be described later in the fifth embodiment, when the electron-emitting device of the present embodiment is applied to a direct drawing type charging device or FED, if a silicon substrate is used as the support 43, a voltage is applied to each emitter electrode. A drive element to be applied and a control circuit for selecting the drive element can be formed on the support body 43, which is a more preferable embodiment.
In this embodiment, an N-type silicon substrate is covered with an oxide film to form a support 43, and a metal or alloy is formed on the support 43 by vacuum evaporation or sputtering to form an emitter electrode 42.
[0036]
Various metals or alloys can be used as the emitter electrode 42. In the present embodiment, three layers of Ti / AlSiCu / Ti are formed by sputtering in order to prevent the surface conductivity of the emitter electrode 42 from being lowered during the anodic oxidation process.
Thereafter, Ti / AiSiCu / Ti is used as an emitter electrode 42 that is individualized by a normal photolithography method and a reactive ion etching method. After removing the resist, an aluminum film is formed on the emitter electrode 42 by vacuum deposition or sputtering, and the aluminum film is anodized in an acid such as sulfuric acid, perchloric acid, phosphoric acid, etc. The pores in the oxide film can be obtained.
The depth of the pores can be controlled by the thickness of the aluminum film, and is practically about 1 to several μm. Further, considering that the
[0037]
In FIG. 3, one pore is formed on one emitter electrode 42. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of pores are provided on one emitter electrode 42. May be.
When manufacturing a direct drawing type charging device, the emitter electrode 42 may be made as small as toner particles, and if the electrode width is about 40 μm, it should be used as a charging device for a very fine image forming apparatus. Can do. Assuming that one emitter electrode 42 is 40 × 40 μm in size, 200 × 200 or more pores are formed on the emitter electrode 42. In the case of application as an FED, it is only necessary to provide pores corresponding to the pixel area.
After forming the anodic oxide film 41 and the pores in the anodic oxide film 41, the
[0038]
Further, the amorphous carbon (a-C) generated in the region without the Ni catalyst metal is removed by performing a heat treatment at 600 ° C. in the atmosphere after CVD.
Since the
The length of the
After the
[0039]
In addition, it is desirable that the extraction electrode 44 be made as thin as possible because electrons extracted from the
The extraction electrode 44 is preferably made of a metal that is not easily oxidized because it directly contacts the outside air. For example, when the extraction electrode 44 is made of a noble metal such as Au, Pt, or Pd or an alloy thereof, the extraction electrode is oxidized even by long-term use. Therefore, long-term reliability as an electron emission device can be obtained.
In the present embodiment, after the
[0040]
By the above method, for example, the support 43 is an N-type silicon substrate (size 1 × 15 mm), the individual emitter electrode 42 is a Ti / AiSiCu / Ti film thickness 0.1 / 1 / 0.05 μm, and the electrode area. 40 × 40 μm, anodized film 41 with a film thickness of 1 μm (Al is anodized in sulfuric acid), average pore diameter of 40 nm (240 × 240 array on one emitter electrode at a distance of 120 nm between pores), CNT40 multi-walled carbon nanotubes (produced with Ni catalyst and C2H4 gas), average diameter 33 nm, length average 0.8 μm (formed over 98% of pores), common lead electrode 44 is Au—Pt film thickness An electron-emitting device having a thickness of 5 nm can be manufactured.
It is assumed that the region surrounded by the anodic oxide film 41, the emitter electrode 42, and the extraction electrode 44, that is, the inside of the pore is filled with He gas at 1 atm.
[0041]
In the atmosphere, 1.5 kV was applied between any emitter electrode 42 to the extraction electrode 44 and 300 V between the extraction electrode 44 and the ground, and a phosphor was applied as a counter electrode at a distance of 20 μm from the electron emission device. When the transparent electrode is placed and the counter electrode is grounded, spot-like light emission appears on the phosphor on any emitter electrode, and electrons can be emitted only from any location of the electron emission device.
Further, when the individual emitter electrodes 42 of the electron emission device are connected to the shift register and a negative voltage is applied to the individual emitter electrodes 42 in time series, it can be confirmed that the light emitting points on the phosphors move sequentially.
In this embodiment, the emitter electrode 42 is individualized and the extraction electrode 44 is shared. However, the present invention is not limited to this, and the emitter electrode 42 may be shared and the extraction electrode 44 may be individualized. Good.
[0042]
Next, a fifth embodiment will be described.
FIG. 4 is a diagram illustrating charging by the electron emission device of the fifth embodiment.
In this embodiment, a driving element 50 and a control circuit 51 connected to the electron-emitting device are provided, and 16 electron-emitting devices manufactured according to the fourth embodiment are arranged in a vertical direction from the plane of the paper. An electron emitting device corresponding to the direction (which becomes a charging device for direct drawing) and a dielectric are used.
First, a manufacturing method of the driving element 50 and the electron emission device and a mounting method with the control circuit will be described.
A twin well is fabricated on an N-type silicon substrate, and then a plurality of drive elements composed of high-voltage transistors composed of C-MOS are fabricated. 2 The drive element is covered with a film, and further SiO2 is applied by photolithography and etching. 2 A plurality of contact holes are formed in the film.
[0043]
Then, as in the fourth embodiment, SiO 2 An emitter electrode 42, an anodic oxide film 41, pores,
In the present embodiment, since the size of the emitter electrode 42 is 40 × 40 μm, 240 × 240 electron emission points by the pores, that is, the
[0044]
Further, in FIG. 4, the drive element 50 is shown in a block diagram and does not seem to be formed on the N-type silicon substrate, but this diagram shows a concept, and in fact, on the N-type silicon substrate. The emitter electrode 42, the anodic oxide film 41, the pores, the
The charging device is brought close to the
In the present embodiment, the drum-shaped charged
It is assumed that the dielectric Al support in the present embodiment is grounded, and the charged
[0045]
The charging device is fixed at a distance of 20 μm from the object to be charged 52, only the arbitrary driving element 50 among the plurality of driving elements 50 is continuously operated by the control circuit 51, and the emitter electrode 42 connected to the arbitrary driving element 50. A negative voltage of 1.2 kV is continuously applied only to, and 150 V is applied between the common extraction electrode 44 and the ground to charge the
Thereafter, when the surface potential of the charged
Similarly, an arbitrary driving element 50 is operated in time series, a negative voltage in time series is applied to the emitter electrode 42 connected to the arbitrary driving element 50, and 150 V is applied from the common extraction electrode 44 to the ground. When the dielectric is charged, spot-like charging can be confirmed on the surface of the member to be charged 52 on the block connected to the operated driving element 50. Thereby, it can be confirmed that the charging device of the present embodiment can be sufficiently used as a charging device of a direct drawing system.
[0046]
In the present embodiment, arraying is described as a case where a plurality of electron-emitting devices according to the fifth embodiment are produced and arranged in the mounting process, but have a length in the short direction of A4 size. It is assumed that the present embodiment also includes a structure in which electron emitting devices corresponding to the A4 size in the short direction are arranged on one support 43.
As described above, the arrayed electron-emitting device of the present embodiment is a device in which a plurality of electron-emitting devices are arranged in the mounting process, and a plurality of pores and a plurality of carbon nanotubes on one support. The device having the above is also the charging device of the fifth embodiment.
[0047]
Next, a sixth embodiment will be described.
In the sixth embodiment, the charging device manufactured in the fifth embodiment is mounted on an electrophotographic printer, and a polyimide (thickness: 25 μm) / Al substrate to be charged is used instead of the photosensitive member to output an image. I do.
In the printer used in this embodiment, the exposure apparatus is stopped, an image signal is directly input to the control circuit, the latent image of the charged body is made visible by magnetic brush development, and the image is transferred and printed on a copy sheet by the transfer apparatus. . Note that a static elimination brush is used for static elimination. As a result, a high-definition image can be obtained as compared with the image of the conventional printer, which is the size of one block of the electron emission device of the present embodiment, rather than the spot diameter of the exposure device of the conventional printer. This is because is small.
The charging device manufactured in the sixth embodiment can also be used in any direct drawing type image recording apparatus such as a copying machine, a facsimile, and a printer. In this embodiment, the case where the electron emission device, the drive circuit, and the control circuit are integrally formed has been described as an example. However, the present embodiment is not limited to this, and in this embodiment, the electron emission device, the drive circuit, and the control are integrated. A drive circuit and a control circuit may be formed on another substrate without making the circuit integrally, and may be connected to the electron emission device.
[0048]
Next, a seventh embodiment will be described.
In the sixth embodiment, the case where the electron emission device is elongated in the one-dimensional direction and applied to the charging device has been described. However, by increasing the area in two dimensions as in the seventh embodiment, the electron emission device is obtained. Can also be used as an electron emission source of the FED.
When used as an FED, a counter electrode made of a transparent electrode coated with a phosphor may be fixed at a certain position from the electron-emitting device.
When the electron emission device of this embodiment is also used as an FED electron emission source, the carbon nanotube has a structure surrounded by an anodic oxide film, an emitter electrode, and an extraction electrode. Even in this case, the carbon nanotubes are not deteriorated by the air flowing into the FED, and long-term reliability can be improved. In addition, since the FED sealing process can be simplified, the cost can be reduced.
[0049]
As described above, in the electron emission device of each embodiment, in the electron emission device in which the carbon nanotube is held in the pore in the anodic oxide film, the opening of the pore is covered with the extraction electrode. Further, in the electron emission device, electrons extracted from the carbon nanotube by field emission pass through the extraction electrode and are emitted to the outside of the electron emission element.
In the electron emission device, the extraction electrode is made of a noble metal such as Au, Pt, or Pd or an alloy thereof. Furthermore, a charging device in which electron emission devices are arrayed can be configured.
In the arrayed electron emission device, the electron emission device is divided into a plurality of blocks, and a driving element can be provided corresponding to each block. Further, the charging device can be used by being mounted on an electrophotographic image forming apparatus.
Further, a direct drawing type charging device can be configured by arraying electron emission devices, and the direct drawing type charging device can be mounted on a direct drawing type image forming apparatus and used.
[0050]
【The invention's effect】
In the first aspect of the invention, since the carbon nanotube is surrounded by the emitter electrode, the anodic oxide film, and the extraction electrode, the carbon nanotube is completely shielded from the outside air, and is surrounded by the anodic oxidation film, the extraction electrode, and the emitter electrode. A gas that easily deteriorates carbon nanotubes, such as oxygen and water, can be removed from the inside of the pores in the region, and the carbon nanotubes can be prevented from deteriorating during field emission.
[0051]
In the invention according to claim 2, since the electrons emitted from the carbon nanotubes are emitted to the outside through the extraction electrode, they are penetrated by the tunnel effect and emitted to the outside of the electron emission device. The loss of current is small and a large current can be obtained.
In the third aspect of the present invention, since the extraction electrode is formed of a noble metal such as Au (gold), Pt (platinum), Pd (palladium) or an alloy thereof, it is oxidized even if the extraction electrode is in direct contact with the outside air. Therefore, it is possible to maintain good electron emission characteristics over a long period of time.
[0052]
In the invention described in claim 4, since a plurality of the electron emission devices according to any one of claims 1, 2, and 3 are arranged, the structure has an array structure and a relatively large electron emission surface is provided. As a result, the electron emission device can be applied to a charging device, an FED, or the like.
The invention according to claim 5 further includes a drive element that divides a plurality of arranged electron-emitting devices into a predetermined number of blocks and that is electrically connected to the emitter electrode of each electron-emitting device in each of the divided blocks. Therefore, by operating any driving element among the driving elements, a voltage can be applied only to the block connected to the driving element, and electrons can be taken out only from any part of the electron-emitting elements.
[0053]
In the invention of claim 6, since the charging device is formed by using the electron emission device according to any one of claims 1, 2, 3, and 4, sufficient development for the photosensitive member is achieved. Charging can be performed with a margin, and the surface potential of the photoreceptor can be controlled by the potential of the extraction electrode. In addition, by optimizing the potential of the emitter electrode and extraction electrode, the energy of electrons extracted from the charger can be reduced to a level at which ozone and NOx are not generated. As a result, compared with conventional corotron and scorotron, ozone and NOx can be drastically reduced, and the amount of ozone and NOx generated below the charging roller can be realized.
According to the seventh aspect of the present invention, since the electron-emitting device according to any one of the first, second, third, and fourth aspects is used to form a direct drawing type charging device, a plurality of blocks are provided. It is possible to operate any driving element among the driving elements by only comprising the blocks connected to the driving elements. Since a voltage can be applied to the surface of the electron-emitting device and electrons can be taken out only from an arbitrary part of the electron-emitting device, the surface of the charged body can be charged in a small spot shape.
[0054]
In the invention according to claim 8, since the image forming apparatus is equipped with the charging device according to claim 6, the photosensitive member can be charged satisfactorily, and an image output equivalent to that of an image forming apparatus using a conventional corotron or scorotron. Therefore, at the time of image output, the amount of ozone and NOx generated can be set to be less than that of the conventional roller charging method.
According to the ninth aspect of the present invention, since the image forming apparatus includes the direct drawing type charging device according to the seventh aspect, the minimum spot diameter to be charged can be reduced, and as a result, the size of one pixel can be reduced. Therefore, it is possible to output a high-definition image.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing an electron emission apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating charging by the electron emission device of the first embodiment.
FIG. 3 is a view showing an electron emission apparatus according to a fourth embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating charging by an electron emission device according to a fourth embodiment.
FIG. 5 is a diagram (1) showing a conventional electron-emitting device.
FIG. 6 is a diagram (2) showing a conventional electron-emitting device.
[Explanation of symbols]
10 Carbon nanotubes (CNT)
11 Anodized film
12 Emitter electrode
13 Support
14 Lead electrode
Claims (8)
前記支持体の片面上に金属または合金を成膜することにより形成されたエミッタ電極と、
前記エミッタ電極上に所定の間隔で設置された複数のアルミニウム膜を硫酸、過塩素酸などの酸中で陽極化することにより形成された複数の陽極化膜と、
前記複数の陽極化膜の各陽極化膜間に形成され、前記エミッタ電極と反対側に開口部を有する細孔と、
前記複数の陽極化膜の各陽極化膜間に形成された細孔内に底面が前記エミッタ電極に接するように設置され、電子を電界放出するカーボンナノチューブと、
前記細孔の開口部を被覆する、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）などの貴金属またはその合金によって形成される引き出し電極と、
を備え、
前記カーボンナノチューブは、前記エミッタ電極と前記陽極酸化膜と前記引き出し電極とに囲まれていることを特徴とする電子放出装置。A support composed of quartz, glass, ceramics, metal, silicon substrate, etc .;
An emitter electrode formed by depositing a metal or alloy on one side of the support;
A plurality of anodized films formed by anodizing a plurality of aluminum films disposed at predetermined intervals on the emitter electrode in an acid such as sulfuric acid or perchloric acid;
A pore formed between each anodized film of the plurality of anodized films and having an opening on the side opposite to the emitter electrode;
A carbon nanotube that is disposed so that the bottom surface is in contact with the emitter electrode in the pores formed between the anodized films of the plurality of anodized films, and emits electrons in a field; and
An extraction electrode formed of a noble metal such as Au (gold), Pt (platinum), Pd (palladium) or an alloy thereof covering the opening of the pore;
With
The electron emission apparatus according to claim 1, wherein the carbon nanotube is surrounded by the emitter electrode, the anodic oxide film, and the extraction electrode.
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