CN1280382A - 使用碳纳米管的白光源及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种使用碳纳米管的白光源及其制造方法。该白光源包括:用作阴极并形成在下部基片上的金属薄膜;在该金属薄膜上形成的导电聚合物薄膜图案;与导电聚合物薄膜图案基本上垂直地固结从而其一端露出导电聚合物薄膜图案表面的碳纳米管,该碳纳米管用来发射电子;安装在金属薄膜上的定距件;具有连接荧光体的透明电极的透明上层基片,安装在定距件上,以便荧光体正对碳纳米管。

Description

使用碳纳米管的白光源及其制造方法
本发明涉及一种白光源，更具体地，涉及一种制造具有良好的照明功效的白光源的方法。
一种典型的白光源是荧光灯。荧光灯根据放电效应下荧光体会发光设计。荧光灯具有照明度低的缺陷。而且，荧光灯的体积很难缩小，其操作电压很难降低。不仅如此，随着使用时间的延长，荧光灯的照明度降低。因此，荧光灯的稳定性和可靠性就大打折扣，其生命周期也短。
为解决上述问题，本发明的一个特征是提供一种白光源，它具有良好的电场电子发射效率，因而即使施加电压较低也能获得大发射电流，并且每单位面积具有很高密度的电子发射器，以获得良好的照明功效，同时提供其制造方法。
为了获得上述特征，本发明提供了一种白光源，包括：金属薄膜，用作阴极，该金属薄膜形成在一下部基片上；导电聚合物薄膜图案，形成在金属薄膜上；碳纳米管，用于发射电子，该碳纳米管基本垂直固定在导电聚合物薄膜图案上，从而其一端露出导电聚合物薄膜图案的表面；定距件，安装在金属薄膜上；透明的上部基片，其上形成连接荧光体的透明电极，该透明的上部基片安装在定距件上，以便荧光体正对碳纳米管。
荧光体由(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以产生白光，或由Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu制成，以产生基于三种混合发射光谱的白光。
本发明还提供一种制造白光源的方法。在一下部基片上形成用作阴极的金属薄膜。在金属薄膜上形成具有多个选择性地暴露金属薄膜的孔的绝缘薄膜图案。在这些孔内填充导电聚合物薄膜图案。将碳纳米管散布在这些孔中，并沉入导电聚合物薄膜图案里，以便碳纳米管直立，且露出一端。固化导电聚合物薄膜图案，以固结沉入的碳纳米管和导电聚合物薄膜图案。将定距件安装在导电薄膜图案上。将带有连接荧光体的透明电极的透明上部基片安装在定距件上，以便荧光体正对碳纳米管，最后对该透明的上部基片与下部基片进行封装。
碳纳米管可以通过在下部基片上施加偏置直流或超声波来散布在孔中。荧光体由(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以产生白光，或由Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu制成，以产生基于三种混合发射光谱的白光。
根据本发明，可以提供具有良好照明功效的白光源。
通过参照如下附图详细说明本发明的优选实施例，本发明的上述特征和优势将会更加明显。
图1是按照本发明的一个实施例的白光源的剖示图；
图2到图7是解释制造按照本发明的实施例的白光源的方法的剖示图。
下面将参考附图，对本发明的一个实施例进行详尽的描述。本发明并不局限于下面的实施例，在本发明的精神和范围内可以做出多种变型。提供本发明的实施例是为了向本领域技术人员更透彻的解释本发明。在附图中，元件的形状为清楚起见进行了放大，相同的参考数字表示相同的元件。同样，当一个薄膜被描述为在另一薄膜或一半导体基片上时，它可以是直接置于该另一层或该半导体基片上，或者其间可以存在一层间薄膜。
本发明提供了使用碳纳米管的白光源和相应的制造方法。众所周知，碳纳米管是微观构建的，使单个碳原子同三个相邻的碳原子相连，通过碳原子之间的连接形成六边形的环，继而由重复的六边形环组成的象蜂窝一样的平面被卷起来形成圆筒形。这种圆筒结构的特征是：直径通常为几到几十纳米，长度为直径的几十到几千倍。
因此，碳纳米管尖端的直径为几到几十纳米，从而实现了很高的电场电子发射效率。因此，可以在较低的施加电压下获得大量的发射电流。不仅如此，碳纳米管可以在单位面积上进行高密度的排列，以得到很高的尖端密度，进而获得良好的照明功效。
图1是用于说明根据本发明的一个实施例的白光源的剖示图。参照图1，根据本发明的实施例的白光源包括：位于下部基片100上的用作阴极的金属薄膜200和导电聚合物薄膜图案400，以及垂直或倾斜地植于导电聚合物薄膜图案400中的碳纳米管500。
下部基片100可以由硅(S)，氧化铝(Al2O3)，石英或玻璃制成，但下层基片100最好由玻璃制成，因为玻璃适合于白光源制造完成时的封装。因为金属薄膜200是用来向承载碳纳米管500的导电聚合物薄膜图案400传递电流的，所以金属薄膜200最好由具有良好导电性能的材料制成。例如，金属薄膜200可以由导电材料，如铬(Cr)，钛(Ti)，氮化钛(TiN)，钨(W)或铝(Al)制成。但是，因导电聚合物薄膜图案400也具有导电性，如果必要，可以略去金属薄膜200。
导电聚合物薄膜图案400由绝缘的薄膜图案300以预定的图案进行分区。因此，植于被分区的导电聚合物薄膜图案400中的碳纳米管500也得到了分组。每一组碳纳米管500可以构成一个单一单元。
碳纳米管500植于导电聚合物薄膜图案400中，从而碳纳米管500的尖端露出导电聚合物薄膜图案400的表面，并指向用作阳极的透明电极800的表面。施加于透明电极800和金属薄膜200的电场将集中在碳纳米管500的尖端，因此电子将从碳纳米管500的尖端发射出来。
发射出的电子撞击连接在透明电极800上、正对碳纳米管500的荧光体900，该荧光体900将发光。荧光体900可进行设计以具有特定的形状。透明电极800由透明的导电材料如氧化铟锡(ITO)制成，并连接到由玻璃制成的透明基片700上。荧光体可以由荧光材料制成，如(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)，以产生白光，或由混合荧光材料制成，如Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu，以产生基于三种混合发射光谱的白光。
使用安装在绝缘薄膜图案300上的定距件600，碳纳米管500与荧光体900分开一预定的距离。每个定距件600长100～700μm左右。透明基片700安装在定距件600上。为了安装定距件600，荧光体900设计为露出定距件600接触透明电极800的部分。连接透明电极800的透明基片700安装在定距件600上，并同下部基片100进行真空封装。
因为同其长度比较，每个碳纳米管400尖端的直径很小—平均几到几十纳米，极端情况下，可以同原子一样小，电子在施加电场的存在下可以很有效的从尖端发射出来。换句话说，即使在金属薄膜200或导电聚合物薄膜图案400与透明电极800之间施加较低的电压，在碳纳米管500的尖端也能形成很强的电场，因此可以非常有效的发射电子。不仅如此，因为碳纳米管500能够每单位面积以很高的密度植入，从这些碳纳米管500发射出的电子形成很大的发射电流。
发射出的电子通过施加到作为阳极的透明电极800和作为阴极的金属薄膜200或导电聚合物薄膜图案400间的电场传递到透明电极800。当电子撞击荧光体900时，荧光体900中的电子被激发到一个较高的能量状态，接着通过释放光子返回较低的能量状态，因此荧光体能够发光。发出的光通过透明基片700发散出来。这样，如上所述，因为电子发射效率很高，发射电子形成的发射电流也很大，击打荧光体900的电子流就很强。相应的，荧光体900的照明度就很高。
虽然根据本发明的实施例，白光源实际上很简单和紧凑，但是它可以发出具有很高照明度的白光。不仅如此，由于它具有很高的电子发射效率，所以它可以在很低的电压和很小的电流下工作。因此，这种白光源可以用于普通照明系统。而且，如果极端缩小，它可以用于便携照明。
参照图2到图7，下面将详述一种制造如上所述本发明的实施例的白光源的方法。
图2简要表示了在下部基片100上形成导电聚合物薄膜图案400的步骤。用作阴极的金属薄膜200薄薄地在下部基片100上形成，可以进行大批量生产。下部基片100可以由硅、铝、石英或玻璃制成，但是最好由玻璃制成，因为玻璃适合于白光源的封装。金属薄膜200通过沉积具有良好导电性的材料，如铬、钛、氮化钛、钨或铝，到厚度为0．3～0．8μm而制成。这种沉积采用生成薄膜的方法，如热沉积法或溅射法来完成。
绝缘薄膜是在金属薄膜200上沉积绝缘材料，如氧化硅，到厚度为1．0～4．0μm而制成。当下部基片100由玻璃制成时，该绝缘薄膜要在低温下沉积，例如低于500℃，以防止下部基片100在绝缘薄膜沉积过程中发生变形。
然后，使用光刻法形成绝缘薄膜图案，从而形成有选择地露出下面的金属薄膜200的绝缘薄膜图案。例如：将光刻胶沉积到厚度约1．5～2．0μm，接着暴光并冲洗，而形成选择性地露出绝缘薄膜的光刻胶图案350。然后，将光刻胶图案350作为蚀刻掩膜有选择地蚀刻绝缘薄膜，从而形成有选择地露出下面的金属薄膜200的绝缘薄膜图案300。绝缘薄膜图案300的孔可以是直径为大约1～10μm的微型洞。孔之间的距离为3．0～15．0μm。最后，光刻胶图案350通过剥离处理被去除。
图3简要的表示了使用导电聚合物薄膜图案400填充绝缘薄膜图案300的步骤。绝缘薄膜图案300的微型洞被填充以液体导电聚合物，以接触被绝缘薄膜图案300露出的金属薄膜200，从而形成了导电聚合物薄膜图案400。最好每个孔被导电聚合物填充到半满。因此，导电聚合物薄膜图案400的厚度为大约1～2μm。
图4简要表示了将碳纳米管500植入到导电聚合物薄膜图案400的步骤。碳纳米管500散布并沉入到导电聚合物薄膜图案400中。这里，因为碳纳米管500具有稍长的形状，它们大部分都是一端向下沉入。因此，碳纳米管500的一端首先接触导电聚合物薄膜图案400，因此碳纳米管500垂直地沉入到导电聚合物薄膜400中。
因为填充导电聚合物薄膜图案400的微型孔的直径大约为1～10μm，歪斜或水平地沉入的碳纳米管500将被绝缘薄膜图案300挡住。被绝缘薄膜图案300挡住的碳纳米管500将向一边倾斜，基本上垂直地沉入导电聚合物薄膜图案400中。
为了让被绝缘薄膜图案300挡住的碳纳米管500能顺利地沉入导电聚合物薄膜图案400，下部基片100可以使用超声波来使它震动或抖动。或者，碳纳米管500也可以通过在下部基片100上施加偏置直流而被引导到垂直地沉入导电聚合物薄膜图案400。通过施加震动或偏置直流，被绝缘薄膜图案300挡住的碳纳米管500可以垂直的沉入导电聚合物薄膜图案400。换句话说，碳纳米管500沉入到导电聚合物薄膜图案400，以便其尖端直接或歪斜的指向上方。碳纳米管500的另一端露出导电聚合物薄膜图案400的表面。
同时，最好将碳纳米管500按照每单位面积相同的数量进行分布。为了达到这个目的，导电聚合物薄膜图案400上提供了一个筛网(没有示出)。将碳纳米管500放到筛网上后，震动或抖动筛网，以便碳纳米管500可以通过筛网的孔进行散布。筛网的孔具有统一的密度，以便通过这些孔进行散布的碳纳米管500也可以以相同的密度沉入导电聚合物薄膜图案400。
图5简要表示了固化导电聚合物薄膜图案400以固结沉入的碳纳米管500的步骤。导电聚合物薄膜图案400使用构成导电聚合物薄膜图案400的聚合物的固化性能来进行固化。例如：当导电聚合物薄膜图案400由热固性聚合物组成时，固化反应在较低的温度下进行，比如，大约低于300℃来固化导电聚合物薄膜图案400。作为结果，沉入的碳纳米管500同导电聚合物薄膜图案400固结起来。
图6简要表示了在绝缘薄膜图案300上安装定距件600的步骤。多个大约长100～700μm的定距件安装在绝缘薄膜图案300上。
图7简要表示了在分开的透明基片700上形成透明电极800和荧光体900的步骤。
用作正极的透明电极800连接到分开的透明基片700上，如一种玻璃基片。透明电极800由透明导电材料，如ITO制成。然后，荧光体900连接到透明电极800上。荧光体900可以由荧光材料如(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以产生白光，或由混合荧光材料制成，包括象Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu，以产生基于混合发射光谱的白光。该荧光体900的图案可以被设计为允许定距件600接触透明电极800。
带有荧光体900和透明电极800的分离基片700安装在定距件600上，以便荧光体900和透明电极800正对导电聚合物薄膜图案400。这样，与导电聚合物薄膜图案400垂直固结的碳纳米管500的尖端正对荧光体900的表面。将透明玻璃基片700安装在定距件600上后，进行真空封装。
对于通过上述步骤制造出的白光源中的碳纳米管500，其每个尖端的直径实际上都很小，只有几个到几十个纳米，因此在施加的电场中的电子发射在很低的施加电压下也能实现。
如上所述，本发明能够提供一种白光源，该白光源通过使用末端直径很小的碳纳米管作为电场电子发射尖端，可以在较低的施加电压下获得大量的发射电流。不仅如此，本发明可以提供一种具有良好照明功效的白光源，因为在单位面积上可以具有很高的尖端密度。而且，制造白光源的过程得到了简化，从而提高了产品的产量和可靠性。因此，提供了一种新一代高效节能白光源，代替已有的荧光灯或辉光灯。采用本发明的白光源可以做得很小，能耗较低，因此可以用作便携白光源。
虽然已经参考特定实施例描述了本发明，但对本领域的一个普通技术人员来说很显然可以对所描述的实施例进行修改而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (17)

1、一种白光源，包括：
用作阴极的一金属薄膜，该金属膜形成在一下部基片上；
形成在金属薄膜上的一导电聚合物薄膜图案；
用于发射电子的碳纳米管，该碳纳米管与导电聚合物薄膜图案基本上垂直地固结，从而其一端露出导电聚合物薄膜图案的表面；
安装于金属薄膜上的定距件；和
透明上部基片，连接荧光体的透明电极在其上形成，该透明上部基片安装于定距件上，从而荧光体正对碳纳米管。
2、根据权利要求1所述的白光源，其中下部基片由玻璃、石英、氧化铝或硅制成。
3、根据权利要求1所述的白光源，其中金属薄膜由铬、钛、氮化钛、铝或钨制成。
4、根据权利要求1所述的白光源，其中荧光体由(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以产生白光，或由Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu制成，以产生基于三种混合发射光谱的白光。
5、一种白光源，包括：
用作阴极的一金属薄膜，该金属薄膜在一下部基片上形成；
设置在金属薄膜上的一绝缘薄膜图案，该绝缘薄膜图案具有有选择地露出金属薄膜的多个孔；
在孔中形成的导电聚合物薄膜图案；
用于发射电子的碳纳米管，该碳纳米管与导电聚合物薄膜图案基本上垂直地固结，从而其一端露出导电聚合物薄膜图案的表面；
安装于绝缘薄膜图案上的定距件；和
透明上部基片，连接荧光体的透明电极在其上形成，该透明上部基片安装于定距件上，从而荧光体正对碳纳米管。
6、根据权利要求5所述的白光源，其中下部基片由玻璃、石英、氧化铝或硅制成。
7、根据权利要求5所述的白光源，其中金属薄膜由铬、钛、氮化钛、铝或钨制成。
8、根据权利要求5所述的白光源，其中导电聚合物薄膜图案的表面低于绝缘薄膜图案的表面。
9、根据权利要求5所述的白光源，其中孔是直径大约1～10μm的洞，并且其间隔距离为大约3～15μm。
10、根据权利要求5所述的白光源，其中荧光体由(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以产生白光，或由Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu制成，以产生基于三种混合发射光谱的白光。
11、一种制造白光源的方法，该方法包括如下步骤：
在一下部基片上形成用作阴极的金属薄膜；
在金属薄膜上形成绝缘薄膜图案，该绝缘薄膜图案具有有选择地露出金属薄膜的多个孔；
使用导电聚合物薄膜图案填充该孔；
在该孔中散布碳纳米管，并将碳纳米管沉入导电聚合物薄膜图案中，以便碳纳米管直立，并露出一端；
固化导电聚合物薄膜图案，以固结沉入的碳纳米管和导电聚合物薄膜图案；
在绝缘薄膜图案上安装定距件；以及
在定距件上安装一透明上部基片，连接荧光体的透明电极形成在透明上部基片上，从而荧光体正对碳纳米管，并将下部基片与上部基片封装。
12、根据权利要求11所述的方法，其中下部基片由玻璃、石英、氧化铝或硅制成。
13、根据权利要求11所述的方法，其中金属薄膜由铬、钛、氮化钛铝或钨制成。
14、根据权利要求11所述的方法，其中孔的直径大约1～10μm，并且其间隔距离为大约3～15μm。
15、根据权利要求11所述的方法，其中碳纳米管通过在下部基片上施加偏置直流或超声波来散布到孔中。
16、根据权利要求11所述的方法，其中用导电聚合物薄膜图案填充孔，从而导电聚合物薄膜图案的表面低于绝缘薄膜图案的表面。
17、根据权利要求11所述的方法，其中荧光体由(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以产生白光，或由Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu制成，以产生基于三种混合发射光谱的白光。
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