專利名稱：電子發射裝置及其驅動方法
技術領域：
本發明涉及電子發射裝置及其驅動方法。
背景技術：
作為從固體內部向外部發射電子的機構，典型地已知熱電子發射、光電子發射、場電子發射、次級電子發射等。在這些機制中，具有場電子發射機構的電子發射裝置，S卩，MIM(金屬絕緣體金屬) 電子發射裝置和MIS(金屬絕緣體半導體)電子發射裝置是已知的。這些電子發射裝置是表面發射型電子發射裝置，其每個使用在該電子發射裝置內部的量子尺寸效應和強電場來加速電子，并且從其平板狀的裝置表面發射電子。由于在設備內部的電子加速層中被加速的電子被發射到外部，所以這些電子發射裝置不需要裝置外的強電場。相反，在Spindt型電子發射裝置和CNT型電子發射裝置中，其使用設備外的強電場，由于氣態分子的離子化的濺射，裝置本身可能發生故障，使得在低真空中處理是麻煩的。因此，MIM電子發射裝置和MIS電子發射裝置已經得到關注，它們不僅能夠在低壓中發射電子，而且能夠在大氣壓中發射電子，從而推進了它們的技術發展。例如，已經報告的是，被稱為彈道電子表面發射裝置(BSD)的電子源在低真空中具有卓越特征(參見 Vac. Sci. Technol. B 232336-2339 (2005)，"Operation of ηanocrystalline silicon ballistic emitter in low vacuum and atmospheric pressures.(在低真空和大氣壓中的納米晶體硅彈道發射器的操作)”)。此外，較之傳統MIM電子發射裝置和MIS電子發射裝置，改善了在大氣壓中穩定性的電子發射裝置已經被開發。例如，已知一種電子發射裝置，其中，電子加速層包括由電導體構成的導電微粒，并且具有較強抗氧化作用，并且將大于導電微粒的絕緣物質提供在具有下電極的基板和由導體薄膜構成的上電極之間。已知的是，電子發射裝置能夠在大氣壓中穩定地發射電子(參見日本未審查專利公開No. 2009-146891)。在彈道電子表面發射裝置中，納米級硅微晶以及覆蓋微晶的二氧化硅膜持續并交替地提供不受電子散射影響的電子渡越空間，以及局部強電場的電子加速場，從而發射電子。然而，當電子源在大氣壓力中被驅動時，具體而言，在包括氧氣和水蒸氣的室內空氣中，硅微晶與空氣中的氧氣結合，結果全部微晶被變成氧化的硅。因此，生成彈道電子的結構本身被消耗。因此，在大氣壓中，具體而言，在包含氧氣的室內空氣中，難以幾小時或幾百小時的長時間來驅動電子源，從而需要能夠在空氣中被長時間驅動的裝置。另一方面，其中電子加速層包括導電微粒和絕緣物質的電子發射裝置相對于彈道電子表面發射裝置，通過難以被氧化的材料構成，從而具有在大氣壓(室內空氣)中的卓越特征。然而，在這種電子發射裝置中，由于電子加速層包括作為主要成分的絕緣物質，電子可能被捕獲到電子加速層中(電子充電可能會出現)。當電子被捕獲時，被捕獲的電子導致在電子加速層中的加速電場的局部釋放，使得電子加速不足，從而劣化了電子發射裝置的電子發射。當加速電壓被施加時，電子捕獲連續發生，結果，當直流電壓被連續施加時，隨著電壓施加時間(驅動時間)的流逝，電子發射量被降低，雖然裝置在物理上沒有故障。這種電子發射量的降低可以通過提高加速電壓來應對，但是，當電子捕獲再次發生時，最終會導致電子發射量被降低(因此，即使當加速電壓被提高直到電子加速層出現電故障時，也無法保持穩定地電子發射量)。以這種方式，電子發射裝置難以在大氣壓中，尤其是在含有氧氣的室內空氣中，穩定地長時間地發射電子，從而需要能夠在空氣中長時間穩定發射電子的裝置。在電子發射裝置中，當在大氣壓中(尤其是，在含有水蒸氣的室內空氣中)連續施加直流電壓時，基板金屬的電遷移能夠發生，從而在物理上損壞電子加速層。因此，需要能夠在空氣中被長時間驅動的裝置。

發明內容
考慮到這些情況，做出本發明，并且本發明提供能夠在空氣中長時間穩定發射電子的裝置及其控制方法。此外，本發明提供能夠在空氣中被長時間驅動的裝置及其控制方法。本發明提供一種電子發射裝置的驅動方法，該電子發射裝置包括第一電極，形成在該第一電極上并且包括絕緣微粒的微粒層，以及形成在微粒層上的第二電極；并且在第一電極和第二電極之間施加電壓，以在微粒層中加速從第一電極發射的電子，并且經由第二電極發射電子，其中，第一頻率的脈沖以低于第一頻率的第二頻率被震蕩，并且脈沖被施加在第一電極和第二電極之間。本發明者已經進行了實驗，并且已經發現在包括第一電極、形成在第一電極上并且包括絕緣微粒的微粒層、以及形成在微粒層上的第二電極的電子發射裝置中，將電壓施加于在第一電極和第二電極之間，以在微粒層中加速從第一電極發射的電子并且經由第二電極發射電子；當將交流電壓連續施加于第一電極和第二電極之間時，降低的電子發射量小于當直流電壓被施加時降低的電子發射量；并且當交流電壓具有高頻時，降低的電子發射量尤其小。此外，本發明者已經考慮，在直流電壓和交流電壓之間的差異在于用于電子加速層(加速電子的層，并且對應于在本發明中的微粒層)充電所需要的時間，換言之，其區別僅在于在充電時間常數的大小，結果，在任何電壓的驅動方法中，電子加速電場通過被捕獲的電子所形成的局部強電場而被釋放，從而減少了電子發射量。因此，本發明者已經考慮，在電子加速層中捕獲的電子需要被移除，以獲取長時間的穩定電子發射，并且已經進行了進一步實驗。結果，本發明者已經發現，當提供電場加速電子不被施加于電子加速層的時間時，即，當將第一頻率的脈沖以低于第一頻率的第二頻率而施加于第一電極和第二電極之間時，在電子加速層中捕獲的電子能夠被移除(即，能夠被允許消失)，并且本發明人已經完成了本發明。根據本發明，提供一種能夠在空氣中長時間穩定發射電子的裝置的控制方法。


圖1是協助解釋根據本發明實施方式的電子發射裝置的結構的概念圖；圖2是沿圖1的A-A線所取的剖視圖；圖3(1)、3(幻和3C3)是協助解釋根據本發明實施方式的由電子發射裝置的驅動部生成驅動波形的圖表；圖4是示出了當由直流電壓驅動根據本發明實施方式的電子發射裝置時電子發射量隨時間變化，以及當以IOkHz的矩形波驅動該電子發射裝置時電子發射量隨時間變化的曲線圖，其中，示出了當占空比為25%、50%和75%時三個條件下，當以IOkHz的矩形波驅動該電子發射裝置時的變化；圖5是示出了當由以50Hz至500Hz (50%的占空比)的矩形波驅動根據本發明實施方式的電子發射裝置時，電子發射量的變化的曲線圖；圖6是示出了以500Hz至250kHz (50%的占空比)的矩形波驅動根據本發明實施方式的電子發射裝置時電子發射量隨時間變化的曲線圖；圖7是示出了當通過連續施加IOkHz (25%的占空比)的矩形波來驅動根據本發明實施方式的電子發射裝置時電子發射量的變化，以及當通過以60秒的間隔而間歇地施加相似矩形波來驅動根據本發明實施方式的電子發射裝置時電子發射量的變化的曲線圖；圖8是分別通過以10、5、和2. 5秒的間隔，間歇地施加IOkHz (50%的占空比)的矩形波來驅動根據本發明實施方式的電子發射裝置時，電子發射量的變化的曲線圖；圖9(1)和9( 是協助解釋當根據本發明實施方式的電子發射裝置經受老化測試 (100小時連續操作)時，所使用的脈沖密度控制的脈沖波數對應關系(map)及其控制方法的波形圖；以及圖10是示出了根據本發明實施方式的電子發射裝置的老化測試(100小時連續操作)結果的曲線圖。
具體實施例方式本發明提供電子發射裝置的驅動方法，該電子發射裝置包括第一電極，形成在第一電極上并且包括絕緣微粒的微粒層，以及形成在微粒層上的第二電極，并且將電壓施加于第一電極和第二電極之間，以加速從微粒層中第一電極發射的電子，并且通過第二電極發射電子，其中，第一頻率的脈沖以低于第一頻率的第二頻率被震蕩，并且被施加于第一電極和第二電極之間。在本發明的電子發射裝置驅動方法中，由于第一頻率的脈沖被用于驅動，并且在脈沖不出現的期間，不將電場施加于電子發射層。因此，在此期間，被臨時捕獲到電子加速層中的電子從電子加速層的內部被移除(或被允許消失)，并且，由于即使當通過脈沖施加電壓時，在電子加速層中也不發生局部電場釋放，所以電子由脈沖的電壓穩定地加速，從而電子發射裝置的電子發射量難以減少。因此，根據該驅動方法，電子發射裝置能夠穩定地發射電子。而且，由于將第一頻率的脈沖用于驅動，并且不使用直流電壓，當電子發射裝置發射電子時發生的第一電極(例如，在某種模式中，由金屬材料制成的基板)的電遷移難以發生，從而電子加速層難以被物理損壞。因此，即使在空氣中，電子發射裝置能夠被長時間驅動。而且，由于在本發明的電子發射裝置驅動方法中使用的脈沖是高于第二頻率的第一頻率，包括交流分量的電壓被施加于本發明電子發射裝置的電子加速層。當包括交流電分量的施加電壓的交流頻率升高時，流入電子加速層的電流發揮所謂的導體集膚效應，在該效應中，電流集中于構成電子加速層(本發明中的微粒層)的絕緣微粒的表面。此處，假定在本發明中要被驅動的電子發射裝置中，流向由絕緣微粒構成的電子加速層的電流(即，電子)的部分通過施加于電子加速層的電壓而被允許具有高能量，以便作為從固體表面(在本發明中微粒層上形成的第二電極)釋放的彈道電子，從而發射電子。 根據本發明的電子發射裝置驅動方法，由于電流集中于絕緣微粒的表面，彈道電子被容易地從固體表面釋放，從而能夠容易地保持電子發射。另一方面，當導致這種導體集膚效應時(1)在絕緣微粒的表面上產生焦耳熱，結果，晶格振動增加，將彈道電子散射，因此，電子發射裝置的電子發射可能受抑制(電子發射量可能減少)。而且，如上所述，( 即使當通過交流電壓驅動電子發射裝置時(即，即使當將包括交流分量的電壓施加于電子加速層時)，電子被捕獲到電子加速層中(電子充電)，因此， 電子發射量可能減少)。(3)當交流電壓的頻率被降低時，連續執行對電子加速層的電壓施加的時間變得更長，并且如通過直流電壓的驅動一樣，第一電極(例如，在某種模式中，由金屬材料制成的基板)的電遷移可能發生。從這些角度出發，本發明者已經進行了另一實驗。結果，從(1)和O)的角度出發，本發明者已經發現，除非不將電壓施加于電子加速層持續至少約100毫秒，否則被捕獲到電子加速層的電子能夠被清除，即，將約IOHz或更低頻率的交流電壓施加于電子加速層 (例如，將包括0. 008Hz,0. 05Hz、0. IHz或0. 2Hz頻率的脈沖的波形的電壓施加于第一電極和第二電極之間)，從而，電子難以被捕獲到電子加速層中。而且，從(3)的角度出發，本發明者已經發現，將幾百Hz或更高的交流電壓施加于電子加速層(例如，脈沖頻率為IOOHz 或更高，并且將該脈沖波形的電壓施加于第一電極和第二電極之間)，從而電遷移難以發生。本發明者也已經發現，即使當將包括50Hz至IOkHz頻率的脈沖的波形的電壓施加于第一電極和第二電極之間時，電子發射量也不減少。根據這些結果，在本發明中，優選的是，第一頻率為IOOHz至10kHz，并且第二頻率為 0. 008Hz 至 2Hz。此處，優選的是，每個脈沖由矩形波構成。矩形波也被稱為方波，并且具有例如 25%和50%的占空比。本發明的電子發射裝置驅動方法使用多個脈沖(即，兩個或多個矩形波)。當電子發射量是恒值時，這些脈沖基本上具有相同振幅。下文將描述本發明的實施方式。在本發明的實施方式中，除了上述的本發明結構以外，在第一電極與第二電極之間的電流可以被測量，以基于測量的電流值，調制脈沖。例如，當在第一電極和第二電極之間的電流被測量，并且測量的電流值隨后被增加或減少時，脈沖可以被調制，以便使得電子發射量恒定。此處，可以將脈沖調制成使得電子發射量基本恒定，從而可以結合電子發射裝置的驅動時間(壽命)來確定其程度。根據該實施方式，由于測量了在第一電極和第二電極之間的電流，所以能夠間接地測量電子發射裝置的電子發射量。將測量的電流值增加或減少，以調制脈沖，以便能夠通過脈沖調制而調整電子發射量的變化。因此，提供的該電子發射裝置的驅動方法，能夠穩定地發射電子，同時減少電子發射量的上升或下降。此處，在本發明中要驅動的電子發射裝置中，電子發射裝置的驅動環境的變化與該裝置中流動的電流之間的相關性較高，并且在該裝置中流動的電流與從該裝置發射的電子量之間的相關性也較高。因此，根據該實施方式，提供的電子發射裝置的驅動辦法能夠穩定地發射電子，而不依賴于溫度和濕度的環境變化。因此，提供能夠在空氣中長時間穩定地發射電子的裝置及其驅動方法。而且，在第一電極和第二電極之間的電流測量，可以應用到包括不同電極的電子發射裝置。例如，電子發射裝置可以進一步包括與第二電極相對設置的第三電極，其中，可以測量發射到第三電極的電子量，以根據測量的電流值，來調制脈沖。在這種模式中，提供的電子發射裝置的驅動方法能夠穩定地發射電子，同時減少了電子發射量的上升或下降。此外，在本發明的實施方式中，除了上述的發明結構以外，脈沖調制可以是脈沖密度調制或脈沖寬度調制。在這種情形下，脈沖密度調制通過具有恒定寬度的脈沖密度，生成波形，而且，脈沖寬度調制通過可變脈沖寬度，生成波形。根據該實施方式，根據測量的電流值，通過脈沖密度調制或脈沖寬度調制，執行波形調制，從而，提供的電子發射裝置的驅動方法能夠穩定地發射電子，同時減少了電子發射量的上升或下降。從另一角度而言，本發明提供一種電子發射裝置，其包括第一電極、形成在第一電極上并且包括絕緣微粒的微粒層、形成在微粒層上的第二電極、以及驅動部，該驅動部將電壓施加于第一電極和第二電極之間，以在微粒層中加速從第一電極發射的電子，并且經由第二電極發射電子，其中，驅動部以低于第一頻率的第二頻率，來震蕩第一頻率的脈沖，并且將波形生成電路連接至第一電極和第二電極。根據本發明的電子發射裝置，驅動部采用上述電子發射裝置驅動方法。因此，提供的裝置能夠在空氣中以長時間穩定地發射電子。此外，在本發明的電子發射裝置的實施方式中，驅動部可以是其中第一頻率為 IOOHz至10kHz，第二頻率為0. 008Hz至2Hz，并且脈沖由矩形波構成的驅動部。S卩，優選的是，驅動部對脈沖進行震蕩，其中第一頻率為IOOHz至IOkHz且第二頻率為0. 008Hz至2Hz。 而且，在驅動部中，優選的是，脈沖由矩形波構成。例如，驅動部可以是波形生成電路，其以低于第一頻率的第二頻率來震蕩第一頻率的脈沖，并且該波形生成單元可以被連接至第一電極和第二電極。在這種情形中，例如，圖案生成器和信號生成器對應于該波形生成電路。 驅動部可以包括電流測量部，其測量第一電極和第二電極之間的電流；以及脈沖調制部，其基于測量的電流值，調制脈沖。例如，驅動部可以包括電流測量部，其測量第一電極和第二電極之間的電流；以及脈沖調制部，其調制脈沖，以使得當測量的電流值升高或降低時，電子發射量為恒定的。在這種情形中，脈沖調制部可以調制脈沖，以使得電子發射量基本恒定，并且結合電子發射裝置的驅動時間(例如，壽命)，可以確定其程度。脈沖調制部可以是通過脈沖密度調制或脈沖寬度調制來調制脈沖的調制部。而且，雖然本發明的電子發射裝置所采用的結構包括第一電極、在第一電極上形成并且包括絕緣微粒的微粒層、以及在微粒層上形成的第二電極，其中，將電壓施加于第一電極與第二電極之間，以在微粒層中加速從第一電極發射的電子，并且經由第二電極發射電子，但可以采用例如下列模式。具體而言，根據本發明的另一實施方式的電子發射裝置可以進一步包括在第一電極上形成并且具有開口的絕緣層，其中，第二電極可以形成在該絕緣層上，并且被設置成跨過開口與第一電極相對，并且與絕緣層部分地重疊，而且，微粒層被設置在第一和第二電極以及絕緣層之間，并且由絕緣微粒和導電微粒構成。在該模式中，絕緣層可以形成為與第一電極接觸，微粒層可以被設置在第二電極和絕緣層之間以及在開口中，并且絕緣層可以由娃樹月旨(silicone resin)制成。在進一步的實施方式中，第二電極可以具有形成有凹陷部分的表面，第二電極可以包括形成在微粒層附近的第一電極層，以及形成在第一電極層上并且具有比第一電極層阻值更高的阻值的第二電極層，第一電極層具有形成有凹陷部分的表面，并且第二電極層可以通過將凹陷部分穿過第一電極層而電連接至微粒層。在又另一實施方式中，各個結構可以由下列材料構成。例如，第一電極層可以是無定形碳層，并且第二電極層可以是金屬層。第二電極層可以由包括金、銀、鎢、鈦、鋁和鈀至少之一的材料構成。可選的是，微粒層可以進一步包括由絕緣微粒構成的絕緣微粒層，并且構成微粒層的絕緣微粒和導電微?？梢酝ㄟ^硅樹脂而被固定。進一步可選的是，導電微?？梢杂砂ń?、銀、鉬、鈀和鎳至少之一的材料構成，并且可以具有3-lOnm的平均粒徑， 并且絕緣微?？梢杂砂⊿i02、Al2O3以及TW2至少之一的材料構成，并且可以具有10至 IOOOnm的平均粒徑。下文將結合附圖，具體描述本發明的實施方式和實施例。下文描述的實施方式和實施例僅作為本發明的具體例證，并且本發明不應被理解為受其限制。[實施方式]圖1是協助解釋根據本發明實施方式的電子發射裝置1的概念圖。如圖1中所示的，根據該實施方式的電子發射裝置1包括電極基板2、在電極基板2上形成的微粒層3 (也被稱為電子加速層)、在微粒層3上形成薄膜電極4、以及將電壓施加于電極基板2和薄膜電極4之間以驅動該裝置的驅動部20。在該實施方式中，當將電壓施加于電極基板2和薄膜電極4之間時，為了在微粒層 3中不出現非均勻電場，提供具有開口的絕緣體薄膜5，而且，薄膜電極4由多個導電膜形成，以便從整個薄膜電極4發射均勻且充足的電子。在本實施方式中，這些結構在原理上并非總是必要的。然而，在采用這種結構的情形中，即使當電子發射裝置1被長時間地驅動，電場也不集中在微粒層3的部分上，從而電子發射裝置1能夠被長時間地連續驅動。因此，下文將描述采用這些結構的電子發射裝置
Io(電極基板)電極基板2由鋁形成。電極基板2是下電極(圖1中被設置在下方的電極)，并且具有基板的功能。即，電極基板2可以是具有導電性的結構體(例如，板形體)，并且可以是支持該電子發射裝置的結構體。因此，使用具有某種程度的強度以及中等導電性的基板來作為電極基板2。作為電極基板2，例如，SUS、由Al、Ti、Cu等制成的金屬基板、以及由Si、 Ge、GaAs等制成的半導體基板可以作為例子?？蛇x的是，具有提供有由導電材料形成的電極的表面的絕緣體基板可以被使用(即，在其中，包括絕緣材料的板形體的表面涂有導電材料的結構體可以被使用)。對于這種基板，例如，其每個具有形成有金屬膜的表面的玻璃基板和塑料基板，可以作為實施例。作為用于形成這種電極的導電材料，選擇具有卓越導電性并且能夠使用磁控管濺射而形成薄膜的材料。為了在空氣中穩定運行電子發射裝置，可以使用具有高抗氧化能力的導電材料。優選的是，可以使用貴金屬。作為氧化物導電材料并且被廣泛用于透明電極的ITO也是有用的。也可以使用能夠形成強薄膜的Ti和Cu。例如，也可以使用在其中在玻璃板平面上形成200nm的Ti以及在其上形成IOOOnm的Cu的金屬薄膜。作為后文將描述的微粒層被堆積于其上的電極基板2，可以選擇具有對于與該電極基板2直接接觸的層(構件)具有較好粘性的基板。(絕緣體薄膜)絕緣體薄膜5由硅樹脂形成，并且被形成在電極基板2上，并且具有開口。絕緣體薄膜5可以由作為相對于驅動電子發射裝置的驅動電壓的絕緣體的任何材料形成，但是， 為了絕緣體薄膜5具有開口，需要使用能夠圖案化的材料，即能夠控制形狀。因此，作為用于絕緣體薄膜5的材料，紫外線固化及熱硬化硅樹脂是適合的。作為硅樹脂，例如，使用Dow Corning Toray Silicone公司制造的室溫與濕度固化型SR 2411 硅樹脂。當絕緣體薄膜5由硅樹脂形成時，可以通過下列處理將開口圖案化。首先，將硅樹脂施加在電極基板2上，以預焙施加了硅樹脂的電極基板2。然后，覆蓋掩模圖案(包括具有開口的電極圖案的掩模)，用于以紫外線照射預定時間段。從而，以不同膜固化程度，向硅樹脂膜轉印圖案。利用紫外線照射的部分，較之未利用紫外線照射的部分，變成硬膜，從而通過以軟抹布(soft waste)擦拭已經由紫外線照射的硅樹脂，未被紫外線照射部分中的硅樹脂膜能夠被選擇性去除。如上所示，具有開口的絕緣體薄膜5能夠由硅樹脂形成。作為絕緣體薄膜5的另一材料，氧化的硅能夠作為實施例。利用氧化的硅，例如， 通過使用能夠形成硅氧化物膜的典型的CVD (化學氣相沉淀)設備或濺射設備，以及各種離子蝕刻處理，能夠形成具有開口的絕緣體膜5。通過這種方式，可以使用作為無機材料的氧化硅，來替代硅樹脂。絕緣體薄膜5被形成為具有500至IOOOnm膜厚度。在這個范圍內，沒有產生用于抑制微粒層3形成的步驟，并且能夠確保絕緣特性。(薄膜電極)薄膜電極4由多個導電膜形成，以便從整個薄膜電極4發射均勻且充足的電子。圖 2示出了協助解釋薄膜電極4和微粒層3結構的剖視圖。圖2是沿圖1線A-A的剖視圖。如圖2所示的，薄膜電極4包括無定形碳層7、多孔電極層8A、以及非多孔電極層 8B，并且按照無定形碳層7、多孔電極層8A、和非多孔電極層8B的這種順序將其堆積在微粒層3上。薄膜電極4具有形成有孔9 (凹陷部分)的表面。
無定形碳層7被形成，以便具有所謂的SP2雜化軌道(大約幾百個原子的簇)的石墨結構的簇被隨機堆積。雖然石墨本身是導電性優良的材料，但是被堆積的在簇之間導電性較差的無定形碳層7被用作電阻層。即，無定形碳層7具有高于多孔電極層8A和非多孔電極層8B的電阻值。此外，無定形碳層7形成為具有IOnm的層厚度。為了無定型碳層7作為電阻層， 無定型碳層7形成為具有5nm或更多的膜厚度。多孔電極層8A由具有金和鈀作為主要成分的材料形成。用于多孔電極層8A的材料可以支持電壓施加，并且多孔電極層8A由例如金屬形成。然而，從盡可能沒有任何能量損失地傳送并發射在微粒層3 (電子加速層)中被加速以具有高能量電子的電極功能的角度來看，用于多孔電極層8A的材料可以具有較低功函數并且能夠形成為薄膜?？梢云谕氖?，這種材料從形成的裝置發射更多電子。作為這種材料，例如，具有對應于4至MV的功函數的金、銀、鎢、鈦、鋁、鈀等可以作為實施例。在這些中，當假定該裝置在空氣中操作時， 沒有氧化物和硫化物形成反應的金是最佳材料。具有較少氧化物形成反應的銀、鈀、鎢等也是能夠經受實際使用的材料，而沒有任何問題。多孔電極層8A具有形成有孔9的表面?？?被均勻分布在整個多孔電極層8A中。 典型的是，由于電場集中，在微粒層3中形成的電流路徑可能被生成。因此，當孔9被提供在微粒層3上的電極中時，電流路徑可能形成在微粒層3中。另一方面，當電場集中受限時， 異常電流路徑的數目增加，這導致電短路狀態。相反，當電場集中被均勻并廣泛分布時，裝置的電子發射點的數目被增加，從而電子發射量增加。因此，當孔9被均勻分布在整個多孔電極層8A中時，電流路徑可能被形成在微粒層3中，并且裝置的電子發射量增加。因此，孔 9可以被形成為具有小粒徑(面積)，并且大量的孔9可以被設置?？?可以被設置，以便被均勻分布在整個多孔電極層8A中。具體而言，優選的是，孔9的粒徑為1至5 μ m，并且孔9以800至1200個/mm2的密度，被設置在多孔電極層8A中。當粒徑為Iym或更多時，電場集中于凹部，可能形成電流路徑，并且當粒徑為5 μ m或更少時，過多的電場難以集中到凹陷部分中。因此，非正常電流路徑形成難以出現。當凹陷部分以800個/mm2或更高的密度分布時，電流路徑不稀少，從而能夠從整個表面發射充足的電子，并且當凹陷部分以1200個/mm2或更低的密度分布時， 在第二電極表面的導電性可以保持均勻。因此，能夠容易地將電流供給至整個表面?？?被形成為穿過無定形碳層7和多孔電極層8A，并且其被涂有非多空電極層 8B。微粒層3和非多空層8B在孔9處彼此接觸。通過注意到從微粒層3至非多孔層8B的結構，孔9和除了孔9的其他部分具有不同電阻，并且孔9具有相對低的電阻，從而電流路徑被形成為集中于孔9中，從而使得電子能夠更為集中地從凹陷部分被發射。通過將微粒物質散布到微粒層3上，將由無定形碳制成的層以及由金和鈀制成的金屬層堆積在散布有微粒物質的微粒層3上，然后將散布的微粒物質去除，從而能夠形成這種孔9。因此，孔9的形狀取決于在上述處理中散布的微粒物質的形狀。S卩，在被用于制造后文將描述的薄膜電極4的、使用濺射法或淀積法的薄膜形成方法中，形成薄膜，其被通到散布微粒的陰影處。根據該事實，可以選擇微粒物質的尺寸，其比孔9的粒徑大約幾十個百分點。而且，作為微粒物質，硅石微粒被適當地使用。如在多空電極層8A中一樣，非多孔電極層8B由包括金和鈀作為主要成分的材料形成的金屬層形成。與用于多孔電極層8A的物質一樣，用于非多孔電極層8B的材料可以支持電壓的施加。因此，如上所述，非多孔電極層8B可以由與用于多孔電極層8A相同的材料形成。此外，非多孔電極層8B覆蓋多孔電極層8A。即，非多孔電極層8B形成為涂覆在多孔電極層8A的表面上，并且，孔9也涂有非多孔電極層8B。為了將薄膜電極4作為電極，需要包括多孔電極層8A和非多孔電極層8B的金屬層作為電極。因此，多孔電極層8A和非多孔電極層8B(金屬層)的層的層厚度(多孔電極層8A的層厚度與非多孔電極層8B的層厚度的總值)可以是IOnm或更多。當總層厚度為IOnm或更多時，能夠確保作為電極的足夠的導電性。在該實施方式中，非多孔電極層8B被形成為具有20nm的膜厚度。為了從電極發射裝置1有效地向外部發射電子，薄膜電極4的膜厚度是重要的，并且優選的是，其最大膜厚度部分處于15至IOOnm的范圍內。通過這種方式，需要薄膜電極4 被形成為IOOnm或更薄的膜厚度，并且具有超過這個范圍膜厚度的薄膜電極4極大地減少了彈道電子發射。一般認為，因薄膜電極4吸收或反射彈道電子并且電子被再次捕獲到微粒層3中，所以要發射的彈道電子數目被減少。由于薄膜電極4可以作為電極，所以薄膜電極4可以由單一導電膜形成。例如，包括金和鈀的金屬膜。可選的是，如在本實施方式中，薄膜電極4可以由多個導電膜形成(所謂的堆積結構形成)。(微粒層)微粒層3被設置在電極基板2和薄膜電極4之間，并且實質上包括絕緣微粒6A。 具體而言，如在圖2中所示的，微粒層3包括在電極基板2上形成的第一微粒層3A、以及在第一微粒層3A上形成的第二微粒層:3B。第一微粒層3A包括絕緣微粒6A和導電微粒6B，并且絕緣微粒6A和導電微粒6B 主要包括納米尺寸的微粒。絕緣微粒6A由硅石(SiO2)形成。用于絕緣微粒6A的材料要求具有絕緣特性，并且絕緣微粒6A可以包括從除了 SW2以外的Al2O3JiO2中選擇的材料，以作為主要成分。更具體地說，例如，能夠使用由Cabot Corporation制造的氣相二氧化硅C413。像Si02、Al203、 TiO2的具有高絕緣特性的材料能夠容易地將微粒層3的阻值調整為理想值。而且，當使用這些氧化物時，難以發生氧化，從而能夠防止裝置被損壞。絕緣微粒6A具有50nm的平均粒徑。優選的是，絕緣微粒6A具有10至IOOOnm的平均粒徑，并且更優選的是，平均粒徑為10至200nm。絕緣微粒6A可以具有相對于平均粒徑而言的較寬泛的粒徑分布狀態，例如，具有50nm平均粒徑的微?？赡芫哂性?0至IOOnm 范圍內的粒徑分布。因此，即使在這種分布狀態中，絕緣微粒的平均粒徑可以滿足上述平均粒徑的范圍。當，平均粒徑太小時，微粒之間作用力強，從而微粒可能被凝結，并且難以被分散。另一方面，當絕緣微粒的粒徑太大時，分散性好，但是在薄膜微粒層中的孔隙變大，從而微粒層的電阻難以被調整。因此，上述平均粒徑的范圍是優選的。導電微粒6B由銀形成。導電微粒6B可以由貴金屬形成，以防止電子發射裝置在空氣中被氧化和損壞。例如，除了上述銀以外，導電微粒6B可以由包括金、鉬、鈀或鎳的作為主要成分的金屬材料形成。通過使用作為已知的微粒制造技術的濺射方法或噴射加熱方法，能夠制造這種導電微粒6，并且也能夠使用諸如由Applied Nanotechnology ResearchInstitute制造并銷售的銀納米微粒的商業上可獲得的金屬微粒。導電微粒6B是具有IOnm的平均粒徑的納米微粒。由于導電微粒6B控制第一微粒層3A的導電性，需要使用具有比絕緣微粒6A的平均粒徑更小的平均粒徑的微粒。因此， 優選的是，導電微粒6B的平均粒徑為3至20nm。將導電微粒6B的平均粒徑制成小于絕緣微粒6A的平均粒徑，從而，通過導電微粒6B，不會在電子加速層3中形成導電路徑，并且在電子加速層3中難以發生電故障。而且，在在原理上存在許多不清楚的點，但是具有上述范圍內的平均粒徑的導電微粒6B被用于有效地產生彈道電子。在第一微粒層3A中，絕緣微粒6A和導電微粒6B被硅樹脂固定。因此，即使當在多孔電極層8A中形成孔9時，該裝置也被形成為具有充分機械強度。而且，由于硅樹脂具有防水功能，所以水分子難以粘附到微粒層3上，而且，即使當在空氣中操作該裝置時，也難以發生由于水分子所導致的電阻值改變。因此，該電子發射裝置能夠被形成為進行穩定地操作。作為硅樹脂，例如，使用由Dow Corning Toray Silicone Co.制造的室溫及濕度固化型SRMll硅樹脂。第二微粒層;3B包括絕緣微粒6A。作為絕緣微粒6A，使用與在第一微粒層3A中使用的絕緣微粒6A相同的微粒。以這種方式，作為在第二微粒層:3B中使用的絕緣微粒6A，可以使用與第一微粒層3A相同的微粒。在第二微粒層;3B中，絕緣微粒6A和絕緣微粒6A被硅樹脂固定。硅樹脂與第一微粒層3A的相同。因此，在第二微粒層:3B中，也能夠獲得與上述效果類似的機械強度和水分子粘附性效果。在這個實施方式中，將硅樹脂用于第一微粒層3A和第二微粒層3B，以將微粒彼此固定，但是，硅樹脂可以僅被用于這些層的任意一個中。在這種情形中，在使用硅樹脂的層中，能夠獲得關于機械強度和水分子粘附性的效果。微粒層3被形成為具有1200nm的層厚度，第一微粒層3A被形成為具有700至 SOOnm的層厚度，并且第二微粒層:3B被形成為具有400至500nm的層厚度。為了微粒層3 能夠具有均勻層厚度，以及在層厚度方向上的均勻電阻，微粒層3可以具有300至4000nm 的層厚度。作為電子加速層的微粒層3，可以僅包括第一微粒層3A，從而可以通過第一微粒層3A和第二微粒層:3B的總層厚度來管理微粒層3。微粒層3可以僅包括第一微粒層3A，但是，如在這個實施方式中，微粒層3可以包括第一微粒層3A和第二微粒層3B。更確切地說，當在在微粒層3表面的非平整性較之微粒層3的層厚度太大時，由表面形狀導致的電場異常發生，導致電流集中。此外，隨著對該裝置長時間通電，在微粒層3中提供了意外的電流集中點。為了避免這些問題，微粒層3可以包括第一微粒層3A和第二微粒層3B，以釋放在微粒層3表面上的非平整性。優選的是，微粒層3的層厚度較小，但是可以稍微增加，這對于解決上述問題是有幫助的。將微粒層3設置在絕緣體薄膜5上，并且設置在絕緣體薄膜5和薄膜電極4之間。 將微粒層3設置在基板電極2和在絕緣體薄膜5的開口內的絕緣體薄膜之間。微粒層3的微粒(絕緣微粒6A和導電微粒6B)掩埋絕緣體薄膜5的開口。通過這種設置，絕緣體薄膜5通過薄膜電極4的端部，釋放在微粒層3上形成的電場集中，從而抑制異常電流集中的發生。即，認為非均勻電場不出現在下列機構中的第二電極端部與第一電極之間的微粒層中。
當驅動部20將電壓施加于電極基板2與薄膜電極4之間時，在微粒層3 (電子加速層)中形成電流路徑，并且其某些電荷通過由施加電壓形成的強電場而變成彈道電子， 以便從薄膜電極4被發射。在微粒層3的彈道電子發生機制中，在本階段仍有許多不清楚的點，但明白的是，從裝置表面發射的電子對在由微粒層3中局部形成的高電場部分在微粒層3中所形成的電流路徑中傳導的某些電荷進行加速，并且其變成熱電子(彈道電子)， 從而跳躍到空中。認為在構成微粒層3的微粒層之間發射的電子沿著在微粒層3中形成的電場前進，同時重復彈道碰撞，并且它們中的某些穿過在表面的薄膜電極，或者滑過在電極之間的縫隙，并且從裝置表面脫離。此時，即使當微粒層3被夾在電極基板2和薄膜電極4之間時，由于絕緣體薄膜5 的電絕緣作用，具有在電極基板2和微粒層3之間的絕緣體薄膜5的部分也不會流過電流。 而且，在不具有在電極基板2和微粒層3之間的絕緣體薄膜5的部分中，由兩個電極之間的電勢差所產生的均勻電場出現在微粒層3中，并且電流流入微粒層3中以將其部分作為熱電子發射到空中。另一方面，非均勻集中電場被生成在夾在薄膜電極4和電極基板2之間的微粒層3中，但是由于形狀控制的絕緣體薄膜5 (電解質薄膜)被提供在沿著其電力線的返回路徑中，所以絕緣體薄膜5通過其電絕緣功能釋放電場，并且不流過電流。因此，電流路徑不直接在薄膜電極4的端的下面形成，其中，傳統上，非均勻電場被形成在微粒層3中， 并且電流可能被集中，從而即使當長通電時間流逝時，狀態也不被改變。而且，即使當長通電時間流逝時，從對應于在薄膜電極4中的開口 5A的部分流動到電極基板2的電流連續流動，不會非均勻地分布到特定部分，從而保持從整個表面的電子發射。(驅動部)如上所述，驅動部20將電壓施加于基板電極2和薄膜電極4之間，在微粒層3中加速從基板電極2供給的電子，并且從薄膜電極4發射電子。具體而言，驅動部20包括低頻函數發生器14、高頻函數發生器15、以及連接至這些函數發生器并且放大由函數發生器產生的信號波形的電功率放大器16。高頻函數發生器15允許從低頻函數發生器14輸出的波形包括由高頻函數發生器產生的信號波形，以用于輸出。而且，在這個實施方式中，將集電極12經由絕緣體墊片13設置在薄膜電極4上， 以測量從電子發射裝置1發射的電子量。將集電極12連接至施加直流偏置的集偏置電源 11，并且將用于測量發射電子量的電子發射安培計17A連接在它們之間。而且，為了測量在電子發射裝置1中的電流流動，將電子發射安培計17B連接至薄膜電極4，并且將薄膜電極 4經由電子發射安培計17B而接地。低頻函數發生器14和高頻函數發生器15也被接地，從而基于接地，施加電壓。低頻函數發生器14和高頻函數發生器15生成用于驅動電子發射裝置1的信號 (驅動部20的輸出)。由這些發生器所生成的信號波形和用于驅動電子發射裝置1的信號波形(驅動部20的輸出波形)在圖3(1)至3C3)中示出。圖3(1)至3C3)是協助解釋根據本發明實施方式的由電子發射裝置的驅動部生成的驅動波形的圖。圖3(1)示出了由低頻函數發生器14生成的信號波形，并且圖3 ( 示出了由高頻函數發生器15生成的信號波形。而且，圖3C3)示出了用于驅動電子發射裝置1的信號波形，其由這些函數發生器所生成。
如圖3(1)至3C3)所示，低頻函數發生器14和高頻函數發生器15分別生成低頻信號201(周期Cl)和高頻信號202(周期C2)，C2 > Cl)。這些信號包括以固定周期出現的矩形波(方波)，并且被設置成使得高頻信號202的頻率(1/以)高于低頻信號201的頻率(1/C1)，并且當低頻信號201的一個矩形波上升(在圖3 (3)所示的時間段Tl中)，則高頻信號202的多個O或大于2的整數)矩形波上升。具體而言，低頻函數發生器14生成0. 008Hz至2Hz的低頻信號201，并且高頻函數發生器15生成IOOHz至IOkHz的高頻信號202。例如，如在本實施方式中，這些頻率的矩形波可以從多個函數發生器被輸出，以構成驅動部20，或者函數發生器14和15可以包括諸如脈沖發生器的已知信號發生器(例如，脈沖信號發生器)，以構成驅動部20，從而各個信號發生器生成這些頻率的信號。當由低頻函數發生器14生成(輸出)低頻信號201時，信號被輸入到如圖1所示的高頻函數發生器15，獲得該信號和由高頻函數發生器15所生成的高頻信號202的邏輯積 (AND)，并且將邏輯積從高頻函數發生器15輸出，并且輸入到電功率放大器16(圖3(3)的波形203)。電功率放大器16放大該信號，以便具有用于驅動電子發射裝置必要的振幅(高頻函數發生器15的輸出信號被放大，以便圖3C3)所示的振幅A變成適合于驅動電子發射裝置)。因此，獲取如圖3(3)所示的信號波形，并且將其施加于電子發射裝置1的基板電極2和薄膜電極4之間。換言之，其中高頻脈沖(例如，矩形波)以固定頻率出現的信號波形，被施加于電子發射裝置1的基板電極2和薄膜電極4之間。如圖3(3)所示的，被施加于基板電極2和薄膜電極4之間的信號波形包括接通時間，在其中，低頻信號201的矩形波上升(圖3(3)的時間段Tl)，并且高頻信號202的矩形波上升；以及斷開時間，在其中，低頻信號201的矩形波或者高頻信號202的矩形波不上升。在前一時間中，電壓被施加于基板電極2和薄膜電極4之間，以從電子發射裝置1發射電子，并且在后一時間中，停止電壓施加，以停止從電子發射裝置1的電子發射。當在前一時間中電壓施加持續時，電子被捕獲到微粒層3中(電子發射裝置1的電子發射量被減少)，并且在后一時間中，被捕獲的電子被移除(或被允許消失)。在其中電子被移除(或者被允許消失)的時間段趨向于與接通時間的積值(例如，時間乘以信號振幅的積)成比例地增加，并且根據后文要描述的實施例的實驗，優選的是，斷開時間為幾秒或更多。以這種方式，需要考慮在接通時間內發生的電子發射裝置1的電子發射量的減少，與在斷開時間內發生的被捕獲電子的移除(消失)之間的平衡，來調整接通時間和斷開時間。根據電子發射裝置的結構(電特征)，增加或減少其特定值，但如上所述，優選的是， 驅動部20的低頻信號201的頻率為0. 008Hz至2Hz，并且，驅動部20的高頻信號202的頻率為IOOHz至10kHz。以這種頻率，如從后文將描述的實施例中顯而易見的，電子發射裝置 1的電子發射量能夠在空氣中長時間保持穩定。(脈沖調制)在室內空氣中(或者空氣中)驅動的電子發射裝置1的電子發射量可能受裝置本身隨時間的變化，或者室內空氣的溫度和濕度變化影響而被改變。關于電子發射量的這種變化，驅動部20可能使用上述的電子發射安培計17A或者電極發射安培計17B來執行脈沖調制。在這種模式中，在不依賴于溫度、濕度等方面的環境變化的條件下，能夠穩定地執行電子發射。在這種情形中，驅動部20可以調整在其中在上述接通時間中高頻信號202的矩形波上升的時間段。具體而言，如在圖1中所示的，驅動部20包括電子發射安培計17A或者電子發射安培計17B，并且將電子發射安培計17A或電子發射安培計17B連接至高頻函數發生器15， 并且根據由電流計所測量的電流值(安培計的輸出)，執行脈沖調制。將每個安培計用于監控電子發射裝置1的輸出的變化。例如，采用脈沖密度調制作為脈沖調制。如在圖3(3)中所示的，當其中波形上升 (接通)的時間段T3和其中波形下降(斷開)的時間段T4構成接通時間內的高頻信號202 的矩形波時，時間段T3保持不變(或者脈沖寬度恒定)，以執行調整脈沖密度的脈沖密度調制。當接通時間更長時，時間段T4被減少，以增加脈沖密度，并且當接通時間更短時，時間段T4被增加，以降低脈沖密度。作為脈沖調制，可以采用脈沖占空控制(脈沖寬度調制)。在圖3(3)所示的矩形波情形中，其中波形上升(接通)的時間段T3與波形下降(斷開)的時間段T4之間的比率為T3 T4，并且占空比為T3/(T3+T4)(由于圖3(3)中T3 = T4，所以占空比為50% )。 關于這種波形，驅動部20采用調整時間段T3以調整占空比的脈沖占空控制。當使得接通時間更長時，驅動部20使得時間段T3更長，以增加占空比，并且當使得接通時間更短時，驅動部20使得時間段T3變得更短，以減少占空比。例如，在50%的占空比，當使得接通時間更長時，驅動部20執行調制，其允許占空比具有大于50%的值，并且使得接通時間更短時， 驅動部20執行調制，其允許占空比具有小于50%的值。驅動部20執行這種脈沖調制(1)由于矩形波的波高度值不變，所以施加于電子發射裝置的電壓不變，從而難以發生絕緣故障。( 即使當接通時間變長時，電壓不被連續施加于電子發射裝置，從而難以發生由直流電壓導致的電子發射裝置故障。(3)因為即使當執行脈沖調制時，也以固定的時間來提供在其中沒有施加低頻信號201的電壓的時間段， 所以在該時間內被捕獲到微粒層3的電子可以被移除(或者被允許消失)，從而使得微粒層 3中加速電子的電場不能被局部釋放。[實施例]使用上述電子發射裝置，進行實驗，以確認其效果。在本實驗中使用的電子發射裝置制造如下。(具有開口和預定形狀的絕緣體薄膜的加工)首先向IOml試劑瓶中注入0. 7g正乙烷(n-hexane)溶劑，然后，倒入0. 35g硅樹脂溶液。手工攪動混合物，以獲得硅樹脂稀釋溶液。在這種情形中，作為硅樹脂，使用由室溫及濕度固化型 SR2411 硅樹月旨(Dow Corning Toray Silicone Co. Ltd.)。接下來，將24mm見方square)的鋁基本作為電極基板2，滴落硅樹脂稀釋溶液，然后通過使用旋涂方法，使硅樹脂層形成在基板的整個表面上。在將鋁基板以500RPM 旋轉一秒的同時，通過將稀釋溶液滴落在基板表面上，之后以3000RPM旋轉10秒鐘，從而執行通過旋涂方法的膜形成。而且，使用200°C的熱板，將鋁基板加熱并固化處理15分鐘。接下來，將作為由鉻在石英薄板上繪畫的圖案的掩模圖案疊加在基板上，然后，利用波長172nm的真空紫外線照射15分鐘。鉻掩模圖案具有1. 4mm見方的方形圖案。此處， 當以紫外線照射時，在掩模上畫的圖案以硅樹脂膜的不同的膜固化度而發生圖案轉印。較之未被紫外線照射的部分，已經被紫外線照射的部分變成硬膜。作為真空紫外線的光源，使用電介質阻擋放電準分子燈(Ushio Inc.) 0而且，以軟抹布擦拭已經被紫外線照射的基板的表面，以僅去除在未被紫外線照射的部分中的硅樹脂，從而形成1.4mm見方的硅樹脂膜的窗口(鋁基板的表面的曝露部分)。(微粒層(電子加速層)的形成)將1. 5g正己烷溶劑注入IOml試劑瓶，然后，將0. 25g硅石微粒加入其中，作為絕緣微粒，從而通過將試劑瓶置于超聲波分散器上，將其分散。此處，硅石微粒是具有50nm 的平均粒徑的氣相二氧化硅C413 (Cabot Corporation)，并且具有經過六甲基二硅氮烷 (hexamethyldisilazane)處理的表面。將試劑瓶置于分散器上5分鐘，從而硅石微粒以不透明的白色被分散到己烷溶劑中。接下來，將0. 06g納米銀微粒添加到其中作為導電微粒， 然后以同樣方式，將其經受超聲分散處理。銀納米微粒具有IOnm的平均粒徑，以及醇化物絕緣涂層(Applied Nanotechnology Research Institute) 如此獲得的溶液被稱為分散溶液A。同樣，將1. 5g正乙烷溶劑注入IOml試劑瓶，然后，將0. 25g的氣相二氧化硅C413 的硅石微粒加入其中來作為絕緣微粒，從而以同樣方式，將試劑瓶置于超聲分散器上，以便將絕緣微粒分散。接下來，注入0. 036g硅樹脂溶劑，然后，使其以同樣方式經受超聲分散處理。硅樹脂為室溫和濕度固化型SRMll硅樹脂(同上)。如此獲得的溶被稱為分散溶液 B0通過使用旋涂方法，將分散溶液A滴在形成有硅樹脂膜的窗口的電極基板2的表面上(鋁基板的表面的曝露部分)，以形成第一微粒層3A。通過使用150°C的熱板，將形成有第一微粒層3A的基板加熱并干燥一分鐘。此外，以同樣方式，將分散溶液B用于膜形成， 以形成第二微粒層3B。通過使用150°C的熱板，將形成有第二微粒層:3B的基板加熱并干燥
一分鐘。在通過旋涂方法的膜形成中，當基板以500RMP旋轉一秒的同時，將分散溶液滴到基板的表面上，隨后以3000RPM旋轉10秒鐘。(薄膜電極的形成)將l.Og乙醇溶劑倒入IOml試劑瓶，然后，向其中加入0. Ig硅石微粒以作為球形屏蔽物質，通過將試劑瓶置于超聲波分散器上，以便將硅石微粒分散五分鐘。在這種情形中，作為硅石微粒，使用具有8μ m的平均粒徑的氣相二氧化硅SE-5V(Tokuyama Corporation)。除了氨基硅烷處理之外，硅石微粒的表面經過六甲基二硅氮烷處理。如此獲得分散溶液被稱為分散溶液C。接下來，通過使用旋涂方法，將分散溶液C滴到形成有微粒層3的鋁電極基板2 上，以將球形屏蔽物質均勻地分散。通過使用150°C的熱板，將分散之后的基板加熱一分鐘， 使溶劑蒸發。然后，將符合薄膜電極4的形狀的金屬掩模(2. Omm見方的正方形狀)堆積到分散了球形屏蔽物質的電極基板2上。此時，執行對準調整，以便先前形成的絕緣體薄膜5的窗口的中心(鋁基板的表面和電子加速層3被直接堆積的部分)與金屬掩模的中心一致，并且金屬掩模的端部和構成絕緣體薄膜5的窗口的端部在每側彼此相距0. 3mm。接下來，在將金屬掩模固定之后，通過使用電阻加熱型淀積機器來淀積碳膜，隨后通過使用濺射設備的金鈀靶(Au-Pd)來形成膜，從而獲多孔電極層8A的基電極膜。碳膜7的膜厚度是lOnm，并且金鈀電極膜的膜厚度是20nm。然后，將干燥空氣吹到電極膜的表面上，以去除球形屏蔽物質。如此得到多孔電極層SA0 (當吹走球形屏蔽物質以觀察表面時，具有4. 5 μ m直徑的孔以930個/mm2的密度， 形成在電極膜的表面上。)最后，通過使用金鈀靶(Au-Pd)，金屬掩模被提供在先前位置中，以形成非多孔電極層8B，其僅包括在多孔堆積電極層4-1的整個表面上的金屬材料，而沒有球形屏蔽物質。 非多孔電極層8B的膜厚度是20nm。為了評估目的，在空氣的環境中(25°C，35% RH)驅動制造的電子發射裝置。在驅動中，當通過直流驅動電子發射裝置時，使用直流電壓源，并且當通過矩形波來驅動電子發射裝置時，使用圖案發生器，通過施加電壓來驅動電子發射裝置，如在實施方式中所描述的。將圖1所示的電子發射安培計17B用于測量電子發射裝置的電子發射量。此外，如果必要，通過電子發射安培計17A，監控電子發射裝置中的電流量。在圖4至10中示出這些結果。在這些值的測量中，通過測量接通和斷開時間的矩形波并且將測量值平均，獲得施加交流電壓時的電流測量值。例如，在圖5和圖6中的測量裝置中的測量積分時間tm是 167[毫秒]。當施加50Hz的交流電壓時，當施加大約八個波時，電流測量值為平均電流量。圖4是示出了當根據本發明實施方式的電子發射裝置由直流電壓驅動時電子發射量隨時間的變化，以及當電子發射裝置由IOkHz的矩形波驅動時電子發射量隨時間的變化。示出了在占空比為25%、50%，及75%三個條件下，當電子發射裝置由IOkHz的矩形波驅動時的變化。在圖4中，“DC”示出了電子發射裝置由直流電壓驅動，并且“10kHZ，25%占空比”示出了以25%的占空比，通過IOkHz的矩形波來驅動電子發射裝置。在“占空”后面指示的數值是每個條件下的占空比。直流電壓(Ve)為-16. O(V)，并且矩形波的波高(Ve) 也是-16. O (Vo-p)。在空氣環境中(25°C，35% RH)，以每個電壓驅動電子發射裝置。參考圖4，可以發現的是，當電子發射裝置由直流電壓驅動時(圖4中的DC)，在開始驅動電子發射裝置之后，電子發射電流量立即超過1X10_4(A/Cm2)，然后其逐漸下降，在 10分鐘之后降低至1 X IO-6 (A/cm2)。而且，可以發現的是，當由IOkHz的矩形波驅動電子發射裝置時(圖4中“10kHz， 25%占空比”、“ IOkHz，50%占空比”以及“ IOkHz，75%占空比”)，電子發射電流量隨時間流逝而減少，如在電子發射裝置由直流電壓驅動的情形下一樣。當電子發射裝置由IOkHz的矩形波驅動時，在緊接著電子發射裝置開始被驅動之后的電子發射電流量比當電子發射裝置由直流電壓驅動時稍小，但是，當電子發射裝置由 IOkHz的矩形波驅動時隨時間減少的電子發射電流量比當電子發射裝置由直流電壓驅動時的小?？梢哉J為，電子發射電流量隨時間減少的發生，是由于電子被捕獲到微粒層(電子加速層)中而導致的，而不是由于電子發射裝置的故障而導致的。然而，能夠理解的是，優選的是，電子發射裝置由矩形波驅動，而非由直流電壓驅動。接下來，進一步考察在矩形波驅動條件的頻率與電子發射電流量減少之間的關系。結果在圖5和6中示出。圖5是示出了當根據本發明實施方式的電子發射裝置由50Hz至500Hz (占空比 50%)的矩形波驅動時，電子發射量隨時間的變化。圖6是示出了當根據本發明實施方式的電子發射裝置由500Hz至250kHz (占空比50% )的矩形波驅動時，電子發射量隨時間的變化。在相應的附圖中指示的頻率示出了矩形波的頻率。在圖5中，矩形波的頻率為50Hz、 100Hz,250Hz和500Hz，并且示出了相應頻率的電子發射量隨時間的變化。在圖6中，頻率為500HzUkHzUOkHzUOOkHz和250kHz。同樣，在圖5和6的實驗中，矩形波的波高(Ve) 為-16. O(Vo-P)，并且在空氣中(25°C，35%RH)執行電子發射裝置的每個驅動。參考圖5，可以發現的是，當電子發射裝置由50Hz至500Hz的矩形波驅動時，電子發射量幾乎不減少。參考圖6，可以發現的是，當由500Hz和IkHz的矩形波驅動電子發射裝置時，電子發射量幾乎不減少，但是當頻率為IOkHz或更多時，電子發射量被減少。在這些實驗中，發現的是，在250kHz的最高頻率處，電子發射量減少最多。從這些結果可以明白，當電子發射裝置由周期性矩形波，亦即，交流電壓驅動時， 而非當電子發射裝置由直流電壓驅動時，電子發射量較難被減少(或者不減少)。認為當電子發射裝置由這種交流電壓驅動時，存在電壓不被施加到微粒層的時間段，從而被捕獲到微粒層(電子加速層)中的電子被移除(或者被允許消失)。能夠明白的是，當電子發射裝置由交流電壓驅動時，其頻率上限為10kHz。認為當頻率為IOkHz或更多時，在其中微粒層中的微粒表面作為電流路徑的導體集膚效應變得顯著，結果，由于電流集中導致的焦耳熱導致裝置中電流量減少，從而隨后電子發射量減少。即使當電子發射裝置由交流電壓驅動，其接近于通過直流電驅動時，用于基板電極的材料的電遷移趨向于發生，從而導致電子加速層的物理故障。除了頻率以外，該現象與電壓值、裝置中的電流量大小、空氣中的濕度等相關。假設這個實施例的條件，發現的是，當電子發射裝置由IOOHz的交流電壓驅動時，能夠有效地防止電遷移。接下來，在這些結果中，研究的是，是否存在任何驅動條件，在該驅動條件下，在 IOkHz頻率上限，電子發射量難以減少(或不減少)。這些結果在圖7和8中示出。圖7是示出了當通過連續施加IOkHz (25 %的占空比)的矩形波來驅動根據本發明實施方式的電子發射裝置時的電子發射量的變化，以及通過以60秒間隔而間歇地施加相同矩形波來驅動根據本發明實施方式的電子發射裝置時的電子發射量的變化的曲線圖。圖 8是示出了通過分別以10、5、和2. 5秒間歇地施加IOkHz (50%占空比)矩形波來驅動根據本發明實施方式的電子發射裝置時的電子發射量變化的曲線圖。此處，“間斷60秒，10kHz， 25%占空比”示出了在其中將IOkHz (25%的占空比)的矩形波施加60秒(稱為電壓施加周期)，然后不施加60秒(稱為電壓停止周期)的周期，在這種情形中，示出了包括以60秒的間隔的電壓施加周期和電壓停止施加周期的周期(120秒的周期)，亦即0. 008Hz頻率的周期。圖8中諸如“10[s]間隔(0. IHz)的數值指示該周期的間隔和周期。圖8示出了當驅動開始之后，當9至10分鐘流逝時，電子發射量的變化。在圖7和8的實驗中，矩形波的波高(Ve)為-16. O(Vo-P)，并且在空氣環境中(25°C，35%RH)執行電子發射裝置的每個驅動。參考圖7，可以發現的是，與通過連續施加矩形波來驅動電子發射裝置的情形不同，當通過以60秒間隔而間歇地施加矩形波來驅動電子發射裝置時，電子發射量幾乎不減少。從該結果可以明白的是，在其中矩形波被施加60秒然后不被施加60秒的周期能夠消除由于被捕獲電子所導致的電場，從而保持電子發射裝置的電子發射。參考圖8，發現在以10、5和2. 5秒間隔的任何一個(以0. 05Hz、0. IHz和0. 2Hz頻率的任何一個)，電子發射量幾乎不變。從這些結果發現，當上述周期具有0. 008Hz至0. 2Hz的頻率時，電子發射裝置的電子發射量是穩定的。此外，為了找出上述周期頻率的上限，在空氣中(25°C，35% RH)執行老化測試 (100小時持續操作)。其條件和結果在圖9 (1)、9 (2)和10中示出。圖9(1)、9(幻是協助解釋當根據本發明實施方式的電子發射裝置接收老化測試 (100小時連續操作)時，使用的脈沖密度控制的脈沖波數對應關系以及其控制方法的波形圖。圖10是示出了根據本發明實施方式的電子發射裝置的老化測試(100小時連續操作) 的結果的曲線圖。在老化測試中，以其中將IOkHz (25%占空比，-16. O(Vo-P)波高(Ve))矩形波施加 0.25秒，然后不施加0.25秒的周期，驅動電子發射裝置。換言之，以0.25秒的間隔(0.25 秒的周期)提供電壓施加周期，從而以2Hz的頻率，以包括電壓施加周期和電壓停止周期的周期來驅動電子發射裝置，從而進行該老化測試。在驅動電子發射裝置中，(通過圖1所示的電子發射安培計17B)測量在電子發射裝置中的電流，以通過監控其測量值，執行脈沖密度調制。參考圖9(1)，通過基于例如50%的輸出比(橫軸)，在電壓施加周期的波數1 (左縱軸)以及在電壓停止周期中的波數1 (右縱軸)，改變在電壓施加周期中的波數以及在電壓停止周期中的波數，從而執行脈沖密度調制。在圖8中，在電壓施加周期中，定義波長的 1/2時間=電壓施加周期中的波數1，并且在電壓停止周期中，定義1/2時間=電壓停止周期中的波數1，在這種情形中，它們對應于IOkHz的矩形波的50%的輸出比。以50%的輸出比(橫軸)，在1的電壓施加周期中的波數(左縱軸)，以及在1的電壓停止周期中的波數 (右縱軸)，矩形波的輸出能夠通過50%的輸出比來提高，或者能夠通過50%的輸出比來減少。參考圖8，例如，為了增加矩形波的輸出，以提高輸出比至60%，電壓施加周期中的波數為2，并且在電壓停止周期中的波數為1.3，其可以從圖9(1)的脈沖波數對應關系讀取。相反，為了減少矩形波的輸出，以降低輸出比至40%，在電壓施加周期中的波數為1，并且在電壓停止周期中的波數為1.5，其可以從該圖讀取。通過這種方式，從圖9(1)的波形數目對應關系，能夠將脈沖密度調制使能為期望的輸出比。在老化測試中，從在電子發射裝置的電流的測量數據(圖1所示的電子發射安培計17A的測量數據)，計算上升或下降量Δ，以獲取于上升或下降量Δ的函數的矩形波的輸出值。在這種情形中，根據裝置的特征，以及設置矩形波的輸出控制范圍的方法，確定所述函數。使用這種脈沖密度調制來進行該老化測試。參考圖10，可以發現的是，即使在空氣中(25°C，35% RH)，在100小時的長時間中也能持續進行穩定的電子發射。從上述結果，明顯的是，當周期具有0. 008Hz至2Hz的頻率時，即使在空氣中，能夠在長時間中繼續穩定的電子發射。在根據本發明的電子發射裝置和電子發射裝置驅動方法中，提供能夠在空氣中長時間穩定發射電子的裝置及其驅動方法。而且，提供能夠在空氣中被長時間驅動的裝置及其驅動方法。因此，本發明可應用到諸如電子照相型復印機、打印機以及傳真機的圖像形成設備的充電裝置，以電子固化裝置。與光發射器組合的本發明可以應用到圖像顯示裝置，并且與吹風機組合的本發明可應用到生成離子風以冷卻要被冷卻的物質的吹風機。例如，從根據本發明的電子發射裝置發射的電子能夠與用于光發射的磷光體碰撞。
權利要求
1.一種對包括第一電極、在第一電極上形成并且包括絕緣微粒的微粒層、以及在所述微粒層上形成的第二電極的電子發射裝置的驅動方法，包括將電壓施加于所述第一和第二電極之間，以從所述第一電極發射電子，以便所述電子通過所述微粒層被加速并且從所述第二電極被發射，其中，所述施加的電壓包括具有第一頻率的脈沖，并且所述脈沖以低于所述第一頻率的第二頻率被振蕩。
2.根據權利要求1所述的驅動方法，其中，所述第一頻率為IOOHz至10kHz，并且所述第二頻率為0. 008Hz至2Hz，所述脈沖的每個由矩形波構成。
3.根據權利要求1所述的驅動方法，其中，進一步包括測量在所述第一電極和所述第二電極之間的電流，以及基于測量的電流調制所述脈沖，以使得所述電子發射裝置的電子發射量恒定。
4.根據權利要求3所述的驅動方法，其中，通過脈沖密度調制或脈沖寬度調制，執行調制所述脈沖的所述步驟。
5.一種電子發射裝置包括第一電極，在所述第一電極上形成的并且包括絕緣微粒的微粒層，在所述微粒層上形成的第二電極，以及驅動部，所述驅動部用于將電壓施加于所述第一和所述第二電極之間，以從所述第一電極發射電子，以便所述電子通過所述微粒層被加速，并且從所述第二電極被發射，其中，所述施加的電壓包括具有第一頻率并且以低于所述第一頻率的第二頻率被振蕩的脈沖。
6.根據權利要求5所述的電子發射裝置，其中，所述第一頻率為IOOHz至IOkHz，所述第二頻率為0. 008Hz至2Hz，并且所述脈沖由矩形波構成。
7.根據權利要求5所述的電子發射裝置，其中，驅動部包括測量在所述第一和第二電極之間電流的電流測量部，以及基于所述測量電流調制所述脈沖以使得所述電子發生裝置的電子發射量恒定的脈沖調制部。
8.根據權利要求7所述的電子發射裝置，其中，所述脈沖調制部通過脈沖密度調制或脈沖寬度調制，調制所述脈沖。
9.根據權利要求5所述的電子發射裝置，進一步包括在所述第一電極上形成并且具有開口的絕緣層，其中，所述第二電極的一部分形成在所述絕緣層的上方，并且被設置成通過所述開口面對所述第一電極，并且其他部分與所述絕緣層重疊，而且，所述微粒層被設置在所述第一和第二電極之間，以及在所述第二電極和所述絕緣層之間，并且包括絕緣微粒和導電微粒。
10.根據權利要求9所述的電子發射裝置，其中，形成所述絕緣層，以便與所述第一電極接觸。
11.根據權利要求9所述的電子發射裝置，其中，所述絕緣層由硅樹脂制成。
12.根據權利要求9所述的電子發射裝置，其中，所述第二電極的表面具有凹陷部分。
13.根據權利要求9所述的電子發射裝置，其中，所述第二電極包括鄰近所述微粒層的第一電極層，以及在所述第一電極層上形成并且具有比所述第一電極層電阻值更高的電阻值的第二電極層，所述第二電極層的表面具有凹陷部分。
14.根據權利要求13所述的電子發射裝置，其中，所述第二電極層通過將凹陷部分穿過所述第一電極層而被電連接至所述微粒層。
15.根據權利要求13所述的電子發射裝置，其中，所述第一電極層包括無定形碳層。
16.根據權利要求13所述的電子發射裝置，其中，所述第二電極層包括金屬層。
17.根據權利要求16所述的電子發射裝置，其中，所述第二電極層包含包括金、銀、鎢、 鈦、鋁和鈀中的至少之一的材料。
18.根據權利要求9所述的電子發射裝置，其中，所述微粒層包含包括絕緣微粒的絕緣微粒層。
19.根據權利要求9所述的電子發射裝置，其中，構成所述微粒層的所述絕緣微粒和導電微粒由硅樹脂固定。
20.根據權利要求9所述的電子發射裝置，其中，所述導電微粒包含包括金、銀、鉬、鈀和鎳中的至少之一的材料，并且具有3至20nm的平均粒徑。
21.根據權利要求9所述的電子發射裝置，其中，所述絕緣微粒包含包括Si02、AI2O3和 TiO2中的至少之一的材料，并且具有10至IOOOnm的平均粒徑。
全文摘要
本發明涉及電子發射裝置及其驅動方法。本發明提供一種對包括第一發射電極、在第一電極上形成的并且包含絕緣微粒的微粒層、以及在微粒層上形成的第二電極的電子發射裝置的驅動方法，其包括將電壓施加于第一和第二電極之間，以從第一電極發射電子，從而電子通過微粒層被加速，并且被從第二電極發射，其中，施加的電壓包括具有第一頻率并且以低于第一頻率的第二頻率被震蕩的脈沖。
文檔編號G09G3/22GK102479483SQ20111036751
公開日2012年5月30日 申請日期2011年11月18日 優先權日2010年11月19日
發明者平川弘幸 申請人:夏普株式會社