JP2001015077A - 白色光源及びその製造方法 - Google Patents

白色光源及びその製造方法

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JP2001015077A JP2000177789A JP2000177789A JP2001015077A JP 2001015077 A JP2001015077 A JP 2001015077A JP 2000177789 A JP2000177789 A JP 2000177789A JP 2000177789 A JP2000177789 A JP 2000177789A JP 2001015077 A JP2001015077 A JP 2001015077A
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鉄真 李
Jae-Eun Yoo
在銀 柳
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Iljin Nanotech Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 カーボンナノチューブを用いた白色光源及び
その製造方法を提供する。 【解決手段】 下部基板１００上に形成されてカソード
として用いられる金属膜２００と、前記金属膜２００上
に形成された触媒金属膜３００と、前記触媒金属膜３０
０上に垂直配向された電界電子放出用カーボンナノチュ
ーブ４００と、前記触媒金属膜３００上に設けられたス
ペーサ５００と、前記スペーサ５００上に前記カーボン
ナノチューブ４００に対向するように蛍光体８００が付
着されるアノード用透明電極７００が付着された透明な
上部基板６００とを含む。ここで、触媒金属膜３００は
ナノ寸法の相互分離された触媒金属粒子からなり、カー
ボンナノチューブ４００は個々の触媒金属粒子から化学
気相蒸着法により基板に垂直配向されて成長されたもの
である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、白色光源に関し、
特に発光効率に優れた白色光源及びその製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】白色光源としては、例えば、蛍光ランプ
があり、このような蛍光ランプは放電効果による蛍光体
の発光を利用している。このような蛍光ランプは発光効
率が低く、しかも輝度が低い問題点がある。また、蛍光
ランプの小型化が難しく、且つ動作電圧を低く採用し難
い問題がある。加えて、蛍光ランプは、使用時間が経過
するにつれて発光特性が劣化され、安定性及び信頼性が
悪化され、併せて寿命が短いという短所がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みて成されたものであり、その目的は、電界電子放出効
率に優れて低い印加電圧下でも大きい放出電流が得られ
るとともに、単位面積当たり極めて高いチップ（ｔｉ
ｐ）密度を有して発光効率に優れた白色光源及びその製
造方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明からは、下部基板上に形成されてカソードと
して用いられる金属膜と、前記金属膜上に形成された触
媒金属膜と、前記触媒金属膜上に垂直配向された電界電
子放出用カーボンナノチューブと、前記触媒金属膜上に
設けられたスペーサと、前記スペーサ上に前記カーボン
ナノチューブに対向するように蛍光体が付着されるアノ
ード用透明電極が付着された透明な上部基板とを備える
白色光源が提供される。
【０００５】好ましくは、前記触媒金属膜は、ナノ寸法
の相互分離された触媒金属粒子からなり、前記カーボン
ナノチューブは、前記触媒金属粒子のそれぞれから化学
気相蒸着法により垂直成長されたものである。このと
き、前記触媒金属は、コバルト、ニッケル、鉄、イット
リウムまたはこれらの合金からなり、前記蛍光体は（３
Ｃａ3（ＰＯ4）2ＣａＦＣｌ／Ｓｂ，Ｍｎ）の単波長白
色発光を起こす蛍光物質、またはＹ2Ｏ3：Ｅｕ、ＣｅＭ
ａＡ11Ｏ19：Ｔｂ及びＢａＭｇ2Ａｌ16Ｏ7の３波長白色
発光を起こす蛍光物質からなる。
【０００６】また、前記触媒金属膜を選択的に露出させ
る開口を有する絶縁膜パターンをさらに含み、前記カー
ボンナノチューブは前記触媒金属膜の前記開口によって
露出される部分上に選択的に位置し、前記スペーサは、
前記絶縁膜パターン上に設けられる。
【０００７】前記目的を達成するために、本発明から
は、下部基板上にカソードとして用いられる金属膜を形
成し、前記金属膜上に触媒金属膜を形成する。前記触媒
金属膜上に電界電子放出用カーボンナノチューブを垂直
配向されるように成長させる。前記触媒金属膜上にスペ
ーサを設ける。前記スペーサ上に前記カーボンナノチュ
ーブに対向するように蛍光体が付着される透明電極が形
成された透明な上部基板を載置して実装する。
【０００８】好ましくは、前記金属膜を形成する段階前
に、絶縁物質により前記下部基板と前記金属膜との反応
を防止する反応防止膜を形成する。前記触媒金属膜は、
前記触媒金属膜を蒸着した後に、前記蒸着された触媒金
属膜をエッチングしてナノ寸法の触媒金属粒子に分離し
てなる。前記カーボンナノチューブは化学気相蒸着法に
より前記触媒金属粒子のそれぞれから基板に垂直配向さ
れて成長される。
【０００９】前記触媒金属はコバルト、ニッケル、鉄、
イットリウムまたはこれらの合金をが使用できる。前記
触媒金属膜上に前記触媒金属膜を選択的に露出させる開
口を有する絶縁膜パターンをさらに形成でき、前記カー
ボンナノチューブは前記触媒金属膜の前記開口によって
露出される部分上に選択的に位置し、前記スペーサは前
記絶縁膜パターン上に設けられる。本発明によれば、極
小型化が可能なので持ち運びでき、高効率及び節電効果
を有する白色光源が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づき、本
発明の実施例を詳細に説明する。しかし、本発明の実施
例は各種の形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実
施例によって限定されるものではない。本発明の実施例
は当業界における通常の知識を有した者に本発明をより
完全に説明するために提供されるものである。よって、
図面における要素の形状などはより明確な説明を強調す
るために誇張されており、図面において同一の符号にて
示された要素は同一の要素を表わす。また、ある膜が他
の膜または基板の”上”にあると記載される場合、前記
ある膜は前記他の膜または基板に直接的に接触して存在
でき、または、その間に第３の膜が介在されることもで
きる。
【００１１】本発明は、カーボンナノチューブを用いた
白色光源及びこれを製造する方法を提供する。カーボン
ナノチューブは、微視的に、１つの炭素原子に隣接する
３つの炭素原子が結合されており、このような炭素原子
間の結合によって蜂の巣模様（六方格子）の構造が得ら
れ、このような六方格子の始点と終点とを重なるように
丸めると、円筒形のカーボンナノチューブが得られる。
一般に、前記円筒形の構造はその直径が数ｎｍ〜数十ｎ
ｍであり、その長さは直径より数十倍〜数千倍以上に長
い特性を有すると知られている。
【００１２】従って、カーボンナノチューブの先端部
（チップ）は、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の直径を有し、こ
れにより極めて高い電界電子放出効果が具現できる。そ
の結果、低い印加電圧下でも大きい放出電流が得られ
る。さらに、単位面積当たり極めて高い密度にて前記カ
ーボンナノチューブを成長させることができて、極めて
高いチップ密度が得られ、これにより優れた発光効率を
得ることができる。
【００１３】以下、図面に基づき、本発明の好適な実施
例を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施例によ
る白色光源の概略断面図である。具体的に、本発明の第
１実施例による白色光源は、下部基板１００上にカソー
ドとして用いられる金属膜２００を具備し、前記金属膜
上２００に触媒金属膜３００を具備する。
【００１４】下部基板１００は、シリコン（Ｓｉ）、ア
ルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、石英またはガラスからなり得る。
好ましくは、製造されるべき白色光源を完成する実装工
程に適するようにガラスからなる。金属膜２００は導電
物質 、例えば、クロム（Ｃｒ）、チタニウム（Ｔ
ｉ）、窒化チタニウム（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）
またはアルミニウム（Ａ１）からなる。
【００１５】触媒金属膜３００は、その上に垂直配向さ
れるカーボンナノチューブを形成するときに触媒として
用いられる。触媒金属膜３００は、カーボンナノチュー
ブ４００が合成及び成長可能に触媒の役目をする金属物
質から形成される。例えば、触媒金属膜３００は、コパ
ルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、イット
リウム（Ｙ）またはこれらの合金（例えば、コパルト−
ニッケル、コバルト−鉄、コバルト−イットリウム、ニ
ッケル−鉄またはコバルト−ニッケル−イットリウム）
からなる。
【００１６】触媒金属膜３００上には、垂直配向されて
成長されたカーボンナノチューブが具備される。カーボ
ンナノチューブ４００は、前記触媒金属膜３００上に提
供されるカーボンソースから化学気相蒸着法により垂直
成長できる。このような化学気相蒸着法によるカーボン
ナノチューブ４００の成長は、後述する図６〜図１０に
基づき詳細に説明する。
【００１７】カーボンナノチューブ４００は、電界電子
放出作用を行なうように具備される。従って、カーボン
ナノチューブ４００の先端部に対向するようにカーボン
ナノチューブ４００から離れた位置に蛍光体８００が具
備される。蛍光体８００の背後には透明電極７００が具
備され、このような透明電極７００が付着された上部基
板６００がスペーサ５００に載置されて下部基板１００
と共に真空密封されて実装される。
【００１８】透明電極７００は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ
Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）などの透明な導電物質から形成で
きる。蛍光体８００は、白色発光を起こす蛍光物質、例
えば、（３Ｃａ3（ＰＯ4）2ＣａＦＣｌ／Ｓｂ，Ｍｎ）
の単波長白色発光を起こす蛍光物質、またはＹ2Ｏ3：Ｅ
ｕ、ＣｅＭａＡ11Ｏ19：Ｔｂ及びＢａＭｇ2Ａｌ16Ｏ7の
などの３波長白色発光を起こす蛍光物質からなる。上部
基板６００は蛍光体８００で発光される光を外部に放出
するために、透明な物質、例えば、ガラスからなる。
【００１９】このように構成される白色光源は、カソー
ドとして用いられる金属膜２００とアノードとして用い
られる透明電極７００との間に電界が導入されるとき、
カーボンナノチューブ４００の先端部から透明電極７０
０への電界集中により電子が放出される。カーボンナノ
チューブ４００の先端部は、カーボンナノチューブ４０
０の長さに比べて極めて小さい直径、例えば、数ｎｍ〜
数十ｎｍの直径を有するので、このような先端部におい
て電界電子放出が極めて有効に発生できる。
【００２０】従って、金属膜２００と透明電極７００と
の間に導入される電界を下げることができる。すなわ
ち、金属膜２００または透明電極７００に低い電圧を印
加するとしても、カーボンナノチューブ５００の先端部
において極めて高い電界集中が発生でき、電子放出が極
めて有効になされうる。さらに、カーボンナノチューブ
４００は単位面積当たり極めて高い密度にて成長でき、
このように高密度にて配向されたカーボンナノチューブ
４００から放出された電子の密度は極めて高くなり、こ
れによる放出電流は極めて高くなる。
【００２１】このように放出された電子は蛍光体８００
に入射して蛍光体８００を発光させ、このように発光さ
れた光は透明な基板６００を介して外部に放出される。
このとき、前述のように、電子放出の効率が高く、且つ
放出された電子による放出電流も高いので、蛍光体８０
０に入射される電子密度は極めて高くなる。従って、蛍
光体８００によって発生された光の輝度も極めて高くな
る。
【００２２】このように、本発明の第１実施例による白
色光源は実質的に極めて簡単で、しかも小型化されてい
るが、前記のように、極めて高い輝度の単色光を発光さ
せることができる。さらに、前記のように、電界電子放
出効率が高いので、極めて低い電圧または極めて低い電
流下でも作動できる。従って、このような白色光源は、
通常の照明装置として使用でき、極小型化する場合、ポ
ータブル照明装置として使用できる。
【００２３】以下、図２乃至図５に基づき、本発明の第
１実施例による白色光源製造方法を詳細に説明する。図
２は、下部基板１００上に金属膜２００及び触媒金属膜
３００を形成する段階を示す概略断面図である。
【００２４】具体的には、量産のため、面積の広い下部
基板１００上にカソードとして用いられる金属薄膜２０
０を形成する。下部基板１００は、前述のように、各種
の物質から形成でき、好ましくは、ガラスからなる。金
属膜２００は各種の導電物質、例えば、クロム、チタニ
ウム、窒化チタニウム、タングステンまたはアルミニウ
ムを約０．３μｍ〜０．５μｍ程度の膜厚にて蒸着して
形成される。このような蒸着は、熱蒸着法またはスパッ
タリング法などのような薄膜形成方法を用いる。
【００２５】金属膜２００上にカーボンナノチューブ４
００を成長させるときに触媒として作用する触媒金属膜
３００を形成する。触媒金属膜３００は、約数ｎｍ〜数
百ｎｍの膜厚、好ましくは、約２ｎｍ〜２００ｎｍ程度
の膜厚にて蒸着され、熱蒸着法またはスパッタリング法
などの薄膜形成方法を利用して蒸着できる。
【００２６】図３は、触媒金属膜３００上にカーボンナ
ノチューブ４００を成長させる段階を示す概略断面図で
ある。具体的に、触媒金属膜３００に相互離隔されてお
り、垂直方向に配向されたカーボンナノチューブ４００
を多数成長させるために、触媒金属膜３００がカーボン
ナノチューブ４００を成長させる触媒としての役割をす
るように処理する。例えば、触媒金属膜３００の表面を
粒界エッチング（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｅｔｃ
ｈｉｎｇ）して、前記触媒金属膜３００を微細な孤立さ
れた触媒金属粒子に分離させる。このような触媒金属粒
子が形成されることにより、このような触媒金属粒子の
間には下部の金属膜２００の表面が露出される。これに
より、触媒金属膜３００は相互独立的な、孤立されて分
布された触媒金属粒子からなる。
【００２７】しかる後に、触媒金属膜３００上にカーボ
ンソースを提供してそれぞれの触媒金属粒子からカーボ
ンナノチューブ４００を成長させる。触媒金属粒子は、
前記粒界エッチングによって形成されるので、初期の触
媒金属膜３００の膜厚及び粒界エッチング速度などによ
りそのサイズが調節できる。従って、触媒金属粒子にそ
れぞれ成長されるカーボンナノチューブ４００の直径も
また触媒金属粒子のサイズの調節により調節できる。さ
らに、粒界エッチングによって形成される触媒金属粒子
は極めて均一に配列されるので、成長されるカーボンナ
ノチューブ４００は相互間に整列された形態を有するこ
とになる。
【００２８】このとき、カーボンナノチューブ４００の
成長は熱またはプラズマによる化学気相蒸着法を用いて
行なえる。このような化学気相蒸着によるカーボンナノ
チューブ４００の成長は、図６乃至図１０に基づき説明
される実施例を通じて詳述する。
【００２９】図４は、触媒金属膜３００上にスペーサ５
００を設ける段階を示す概略断面図である。具体的に
は、触媒金属膜３００上に約１００μｍ〜７００μｍ程
度の長さを有するスペーサ５００を多数個設ける。スペ
ーサ５００は、後続して設けられる蛍光体（図１中、８
００）とカーボンナノチューブ４００の先端部とを所定
距離隔てるような機能をする。
【００３０】図５は、別途の透明な上部基板６００上に
透明電極７００及び蛍光体８００を形成する段階を示す
概略断面図である。具体的には、別途の透明な上部基板
６００、例えば、ガラス基板上にアノードとして用いら
れる透明電極７００を付着する。このような透明電極７
００は、ＩＴＯなどの透明な導電物質から形成される。
次に、前記透明電極７００上に蛍光体８００を付着す
る。蛍光体８００は、白色発光を起こす蛍光物質、例え
ば、（３Ｃａ3（ＰＯ4）2ＣａＦＣｌ／Ｓｂ，Ｍｎ）な
どのように単波長白色発光を起こす蛍光物質、または、
Ｙ2Ｏ3：Ｅｕ、ＣｅＭａＡ11Ｏ19：Ｔｂ及びＢａＭｇ2
Ａｌ16Ｏ7：Ｅｕなどの３波長白色発光を起こす蛍光物
質からなる。
【００３１】このように蛍光体８００及び透明電極７０
０が具備された上部基板６００を蛍光体８００の表面が
カーボンナノチューブ４００の先端部に対向するように
スペーサ５００に載置する。次に、透明な上部基板６０
０と下部基板１００とを真空密封して実装する。
【００３２】このように製造された白色光源のカーボン
ナノチューブ４００は端部の直径が実質的に数ｎｍ〜数
十ｎｍ程度に小さくて、極めて低い印加電圧下でも極め
て高い効率にて電界電子放出を具現できる。
【００３３】以下、図６乃至図１０に基づき、本発明の
第１実施例による白色光源製造方法におけるカーボンナ
ノチューブ４００の成長方法について詳細に説明する。
図６は、本発明の第１実施例によるカーボンナノチュー
ブ４００の成長に使用された熱化学気相蒸着装置の概略
構成図であり、図７乃至図１０は、本発明の第１実施例
によるカーボンナノチューブの成長を概略的に示す断面
図である。
【００３４】概略的には、図３に示す垂直配向されて成
長されたカーボンナノチューブ４００を、図７乃至図１
０に示すように、図６の熱化学気相蒸着装置を使って成
長させることができる。この実施例においては、このよ
うなカーボンナノチューブ４００の垂直配向成長を熱化
学気相蒸着法を用いた行なっているが、プラズマを用い
た化学気相蒸着法を利用することもできる。
【００３５】図７を参照すれば、面積の広い下部基板
（図３中、１００）上に、前述のように、金属膜２００
及び触媒金属膜３００を形成する。このとき、触媒金属
膜３００は数ｎｍ〜数百ｎｍの膜厚、好ましくは、２ｎ
ｍ〜２００ｎｍの膜厚にて形成する。
【００３６】図６に示すように、熱化学気相蒸着装置の
反応炉６１００内に、このように触媒金属膜３００が形
成された基板６３００を石英ボート６４００に取り付け
て収める。このとき、基板６３００は、カーボンナノチ
ューブ４００が形成される面６３５０がガス供給方向と
反対となる方向に、且つ、カーボンナノチューブ形成面
６３５０が下向きになるように取り付ける。このこと
は、カーボンナノチューブ４００が成長される面６３５
０に不純物または残留物が吸着することを防止し、且つ
前記カーボンナノチューブ形成面６３５０に供給される
反応ガスの流れを均一に維持するためである。
【００３７】このとき、反応炉６１００内の圧力は大気
圧、または数百ｍＴｏｒｒ〜数Ｔｏｒｒ程度に維持す
る。そして、反応炉６１００の温度を抵抗コイル６２０
０などの加熱手段を使って高めた後に、反応炉６１００
内にアンモニアガス（ＮＨ3）など、触媒金属膜３００
の粒界エッチングが可能なエッチングガスを反応炉６１
００内に供給する。エッチングガスは、触媒金属膜３０
０の粒界に沿って触媒金属膜３００をエッチングする役
割をするので、このようなエッチングガスに反応性を与
える段階が必要となる。このために、前記アンモニアガ
スは反応炉６１００の石英ボート６４００に取り付けら
れた基板６３００のところに達する前に分解されて反応
性が与えられることが好ましい。
【００３８】このようなアンモニアガスの分解（ｐｙｒ
ｏｌｙｓｉｓ）は、図６の熱化学気相蒸着装置の場合、
熱的分解によって行われる。従って、前記反応炉６１０
０の温度は少なくとも供給されるアンモニアガスが熱分
解できる程度の温度、例えば、少なくとも７００℃以上
に保たれることが好ましい。好ましくは、約７００℃〜
１０００℃程度の温度に保たれる。
【００３９】図７及び図８を参照すれば、反応性が与え
られた分解されたアンモニアガス７１００は触媒金属膜
３００の表面粒界をエッチングする。このような粒界エ
ッチングは、好ましくは、触媒金属膜３００の下方の金
属膜２００が露出されるまで行われる。これにより、金
属膜２００上に、図８に示されたように、ナノ寸法（こ
の明細書では、ナノ寸法は数ｎｍ〜数百ｎｍの寸法を表
わす）の相互独立的に分離された触媒金属粒子３００’
が形成される。このような触媒金属粒子３００’の寸法
は、初期触媒金属膜３００の膜厚及び前記粒界エッチン
グ時のアンモニアガスの供給量、エッチング工程時の温
度またはエッチング工程に要される時間などを調節する
ことにより調節可能である。
【００４０】相互独立的に分離されたナノ寸法の触媒金
属粒子３００’は、粒界に沿って行われたエッチングに
よって形成されるので、均等な密度にて下部の金属膜２
００上に微細に分布できる。エッチング条件によって分
離されたナノ寸法の触媒金属粒子３００’はその寸法及
び形態が変わるが、この実施例においては、触媒金属粒
子３００’は約２０ｎｍ〜６０ｎｍ程度の寸法にて形成
されることが好ましい。このとき、アンモニアガスは、
約８０ｓｃｃｍの流量にて約１０分乃至３０分間反応炉
６１００内に供給する。
【００４１】一方、触媒金属膜３００の粒界エッチング
が、前記のように約７００℃〜１０００℃程度の温度条
件下で行われると、下部基板（図３中、１００）がガラ
スから形成される場合、下部基板３００の変形が生じう
る。このような変形を防止するために、前段階として、
アンモニアガスを約７００℃〜１０００℃の温度条件下
で分解した後に、分解されたアンモニアガス７１００を
前記反応炉６１００に供給することができる。このと
き、反応炉６１００の温度は、好ましくは、カーボンナ
ノチューブ４００が成長できる温度よりは高く、且つガ
ラスの変形がおこる温度よりは低い温度、例えば、約４
５０℃〜６５０℃程度に保たれる。
【００４２】または、アンモニアガスを反応炉６１００
に直接的に供給する場合、反応炉６１００内に２つの温
度ゾーンを設定することにより、前記ガラスからなる下
部基板１００の変形を防止することができる。例えば、
アンモニアガスが供給される供給口のところに約７００
℃〜１０００℃程度の温度に保たれる第１温度ゾーンを
設定し、実質的に石英ボート６１００が装着されるとこ
ろには約４５０℃〜６５０℃程度に保たれる第２温度ゾ
ーンを設定する。反応炉６１００内に供給されるアンモ
ニアガスは第１温度ゾーンを通りながら分解され、第２
温度ゾーンに位置する触媒金属膜３００には実質的に分
解されたアンモニアガス７１００が達する。
【００４３】一方、以上には、アンモニアガスを粒界エ
ッチングガスとして使用した場合が好ましい例として取
られているが、このアンモニアガスに代えて、水素ガス
または水素化物ガスを使用しても良い。
【００４４】図９を参照すれば、触媒金属粒子３００’
が形成されると、分解されたアンモニアガス７１００の
供給を止め、カーボンソース８１００を反応炉６１００
内の触媒金属粒子３００’上に供給する。供給されるカ
ーボンソース８１００としては、カーボンダイマーが提
供可能な炭化水素ガスが挙げられる。炭化水素ガスとし
ては、炭素原子数が約２０個以下の炭化水素ガス、例え
ば、アセチレンガス、エチレンガス、プロピレンガス、
プロパンガスまたはメタンガスがある。
【００４５】また、キャリアガス、例えば、水素または
アルゴンガスなどの不活性ガスが前記カーボンソースと
共に反応炉６１００内に供給できる。また、水素化物ガ
スなどを希釈ガスとして前記カーボンソースと共に反応
炉６１００内に供給できる。また、適切な割合のエッチ
ングガス、例えば、アンモニアガスまたは水素ガス、水
素化物ガスを前記カーボンソースガスと共に供給して、
カーボンナノチューブ４００の合成反応を制御できる。
【００４６】また、好ましくは、反応炉６１００内の温
度は、カーボンソースが熱的に分解可能な温度、例え
ば、約４５０℃〜１０００℃に保たれる。前述のよう
に、ガラスからなる下部基板３００の変形を防止するた
めに、石英ボート６４００が位置するゾーンの温度が約
４５０℃〜６５０℃程度の温度に保たれる。このとき、
カーボンソース、例えば、アセチレンガスは２０ｓｃｃ
ｍ〜２００ｓｃｃｍの流量にて１０分乃至６０分間供給
できる。
【００４７】図６の熱化学気相蒸着装置の反応炉６１０
０内に供給されたカーボンソースは、熱分解されてカー
ボンユニット、例えば、Ｃ2Ｈ2を形成する。熱分解され
て形成されたカーボンユニットは、図９に示すように、
分離されたナノ寸法の触媒金属粒子３００’の表面に接
触して表面及び触媒金属粒子３００’内に拡散される。
このとき、触媒金属粒子３００’の表面にカーボンユニ
ットが接触すると、カーボンユニットはカーボンダイマ
ー（Ｃ2）となり、水素ガス（Ｈ2）を発生させる。
【００４８】触媒金属粒子３００’の表面のカーボンダ
イマーは、表面または内部に拡散される。触媒金属粒子
３００’がカーボンダイマーに過飽和されると、このよ
うなカーボンダイマーは相互反応して、平面からみて蜂
の巣模様（六方格子）の構造となる。次に、触媒金属粒
子３００’にカーボンダイマーの供給し続けると、触媒
金属粒子３００’の縁部から前記蜂の巣模様のウォール
（ｗａｌｌ）が成長する。このような成長が進み、触媒
金属粒子３００’からカーボンナノチューブ４００が成
長される。実質的に、カーボンダイマーが触媒金属粒子
３００’の縁部から供給し続けるので、カーボンナノチ
ューブ４００は成長し続ける。このとき、触媒金属粒子
３００’の密度が十分高い場合、分布された多数の触媒
金属粒子３００’から成長されるカーボンナノチューブ
４００は、押し合い効果によって垂直方向に配向されて
成長される。
【００４９】一方、このようなカーボンナノチューブ４
００の成長が続くと、図１０に示されたように、カーボ
ンナノチューブ４００がまるで竹のような構造に成長さ
れる。カーボンナノチューブ４００の成長に見合う触媒
金属粒子３００’が周りの触媒金属粒子３００’と共に
塊りにならず、互いに分離されて独立的に形成されたの
で、形成されるカーボンナノチューブ４００も独立的に
なり、塊りにならない。すなわち、カーボンナノチュー
ブ４００の形成時に非晶質のカーボン塊りが形成されな
い。これにより、高純度のカーボンナノチューブ４００
が形成でき、その結果、カーボンナノチューブ４００が
下部基板１００に垂直配向される。また、カーボンソー
スの供給条件、例えば、ガス流量、反応温度及び反応時
間を変えることにより、カーボンナノチューブ４００の
長さも容易に調節できる。
【００５０】この実施例では、分離されたナノ寸法の触
媒金属粒子を、図６の熱化学気相蒸着装置を用いてドラ
イエッチング法によりエッチングしたが、ウェットエッ
チング法によりエッチングしても良い。すなわち、触媒
金属膜が形成された基板をウェットエッチング液、例え
ば、フッ化水素（ＨＦ）の希釈溶液に浸漬して分離され
たナノ寸法の触媒金属粒子を形成することもできる。ウ
ェットエッチング法を使用する場合にも、低温で実施可
能であるという利点がある。
【００５１】そして、この実施例では、前記触媒金属粒
子及びカーボンナノチューブの成長時に水平型の熱化学
気相蒸着装置を使用することを例に取っているが、垂直
型、イン−ライン型またはコンベヤ型の熱化学気相蒸着
装置も使用可能である。また、プラズマ化学気相蒸着装
置も使用可能である。プラズマ化学気相蒸着装置を使用
する場合、低温での実施が可能であり、且つ反応調節が
容易であるという利点がある。
【００５２】図１１は、本発明の第２実施例による白色
光源の概略断面図である。ここで、第１実施例と同一の
部材には同一の符号を使用した。具体的には、本発明の
第２実施例をよる白色光源は、下部基板１００上にカソ
ードとして用いられる金属膜２００を具備し、前記金属
膜２００上に触媒金属膜３００を具備する。金属膜２０
０と下部基板１００との界面にはシリコン酸化物または
アルミナなどの絶縁物質からなる反応防止膜１５０がさ
らに挟まれうる。このとき、反応防止膜１５０は、下部
基板１００と金属膜２００との間の反応を防止する役割
をし、約０．３μｍ〜０．５μｍ程度の膜厚にて形成さ
れる。
【００５３】金属膜２００上には触媒金属膜３００が具
備され、触媒金属膜３００上には触媒金属膜３００の表
面を選択的に露出させる開口を有する絶縁膜パターン３
５０が形成される。このとき、絶縁膜パターン３５０
は、約１．０μｍ 〜３．０μｍ程度の膜厚にて形成さ
れる。この絶縁膜パターン３５０は、カーボンナノチュ
ーブ４００が成長される位置を選択的に設定するような
役割をする。
【００５４】開口によって露出された触媒金属膜３００
上には、化学気相蒸着法などにより垂直配向されて成長
されたカーボンナノチューブ４００が具備される。カー
ボンナノチューブ４００は電界電子放出源として機能す
る。カーボンナノチューブ４００の先端部に対向するよ
うに蛍光体８００が導入される。蛍光体８００の裏面に
は透明電極７００が具備され、このような透明電極７０
０が付着された透明な上部基板６００がスペーサ５００
に立設されて下部基板１００と共に真空密封されて実装
される。このとき、スペーサ５００は絶縁膜パターン３
５０上に立設され、これにより、蛍光体８００もまた、
このようなスペーサ５００が支持する位置の透明電極７
００の部分を露出させるようにパターニングされること
が好ましい。
【００５５】本発明の第２実施例によれば、カーボンナ
ノチューブ４００を群れ付けてカーボンナノチューブ５
００群れ別に１つのセルができる。図１２乃至図１４に
基づき、本発明の第２実施例による白色光源製造方法
を、実施例を通じて詳細に説明する。
【００５６】図１２は、下部基板１００上に絶縁膜パタ
ーン３５０を形成するまでの段階を示す概略断面図であ
る。具体的には、面積の広い下部基板１００上にカソー
ドとして用いられる金属薄膜２００を形成する。下部基
板１００は、前述のように各種の物質から形成可能であ
るが、中でも、ガラスが好ましい。金属膜２００は、ク
ロム、チタニウム、窒化チタニウム、タングステンまた
はアルミニウムを約０．３μｍ〜０．５μｍ程度の膜厚
にて蒸着して形成される。
【００５７】このとき、金属膜２００と下部基板１００
との反応を防止するために、反応防止膜１５０を金属膜
２００の下部に形成しても良い。下部基板１００は、シ
リコン、石英、ガラスまたはアルミナからなり得る。下
部基板１００がシリコンからなる場合、後続するカーボ
ンナノチューブ４００を形成する化学気相蒸着工程など
の熱的工程中に、下部基板１００のシリコンが金属膜２
００と反応を起こし得る。これを防止するために、前記
反応防止膜１５０を導入する。反応防止膜１５０は約
０．３μｍ〜０．５μｍ程度の膜厚にて形成され、シリ
コン酸化物などの絶縁物を用いて形成する。
【００５８】しかる後に、金属膜２００上にカーボンナ
ノチューブを成長させるとき、触媒として作用可能な触
媒金属膜３００を形成する。触媒金属膜３００は約数ｎ
ｍ〜数百ｎｍの膜厚、好ましくは、約２０ｎｍ〜１００
ｎｍ程度の膜厚にて蒸着され、熱蒸着法またはスパッタ
リング法などの薄膜形成方法を用いて蒸着される。
【００５９】触媒金属膜３００上に低温、例えば、前記
下部基板１００をガラスから形成する場合、約５００℃
以下の温度下で絶縁膜を約１．０μｍ〜３．０μｍ程度
の膜厚にて蒸着する。このことは、絶縁膜を蒸着する工
程中に下部基板１００が変形されることを防止するため
である。このような絶縁膜は各種の絶縁物質、例えばシ
リコン酸化物から形成できる。
【００６０】次に、前記絶縁膜をフォトリソグラフィ工
程を利用してパターニングして、下部の触媒金属膜３０
０を選択的に露出させる絶縁膜パターン３５０を形成す
る。例えば、約１．５μｍ〜２．０μｍ程度の膜厚にて
フォトレジスト膜（図示せず）を塗布した後に写真現像
を行い、絶縁膜を選択的に露出させるフォトレジストパ
ターンを形成する。次に、このようなフォトレジストパ
ターンをマスクとして下部の絶縁膜を選択的にエッチン
グし、下部の触媒金属膜３００を選択的に露出させる絶
縁膜パターン３５０を形成する。絶縁膜パターン３５０
の開口は直径が約１．０μｍ〜５．０μｍ程度の微細孔
であり得り、開口どうしの間隔は約３．０μｍ〜１５．
０μｍであり得る。次に、前記フォトレジストパターン
をストリップして除去する。
【００６１】図１３は、触媒金属膜３００上にカーボン
ナノチューブ４００を垂直配向して成長させる段階を示
す概略断面図である。具体的に、絶縁膜パターン３５０
の開口によって露出される触媒金属膜３００上に選択的
に、図６ないし図１０を参照して説明したように、垂直
配向されたカーボンナノチューブを化学気相蒸着法によ
り成長させる。このように成長されたカーボンナノチュ
ーブ４００は、均一に配列でき、極めて整列された形態
に垂直方向に成長できる。
【００６２】図１４は、絶縁膜パターン３５０上にスペ
ーサ５００を立設する段階を示す概略断面図である。具
体的には、絶縁膜パターン３５０上に約１００μｍ〜７
００μｍ程度の長さを有するスペーサ５００を多数個設
ける。スペーサ５００は、後続して設けられた蛍光体８
００とカーボンナノチューブ４００との先端部を隔てる
役割をする。
【００６３】しかる後に、透明な上部基板６００、例え
ば、ガラス基板上にアノードとして用いられる透明電極
７００を付着する。このような透明電極７００は、ＩＴ
Ｏなどの透明な導電物質から形成される。次に、前記透
明電極７００上に蛍光体８００を付着する。蛍光体８０
０は白色発光を起こす蛍光物質、例えば、（３Ｃａ
3（ＰＯ4）2ＣａＦＣｌ／Ｓｂ，Ｍｎ）などのように単
波長白色発光を起こす蛍光物質、または、Ｙ2Ｏ3：Ｅ
ｕ、ＣｅＭａＡ11Ｏ19：Ｔｂ及びＢａＭｇ2Ａｌ16Ｏ7：
Ｅｕのように３波長白色発光を起こす蛍光物質からな
る。
【００６４】このように蛍光体８００及び透明電極７０
０が具備された別途の透明な上部基板６００を前記蛍光
体８００及び透明電極７００が前記カーボンナノチュー
ブ４００の先端部に対向するように前記スペーサ５００
に載置した後に、真空密封して実装する。
【００６５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、直
径が極めて小さい先端部を有するカーボンナノチューブ
を電界電子放出源として用いることにより、低い印加電
圧下でも大きい放出電流が得られる白色光源を提供する
ことができる。さらに、単位面積当たり極めて高い先端
部密度にて垂直配向されたカーボンナノチューブを利用
できて、極めて優れた発光効率が得られる白色光源を提
供することができる。さらに、白色光源を製造する工程
が簡単であって製品の歩留まりの向上が図れ、しかも製
品への信頼性が高まる。その結果、既存の蛍光ランプや
白熱電球に代えうる次世代の高効率の省力型白色光源と
して利用できる。さらに、超小型化が可能であり、 電
力消耗が小さいので、携帯用白色光源としても利用でき
る。
【００６６】以上、本発明を具体的な実施例を通じて詳
細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
く、本発明の技術的な思想内で当分野における通常の知
識を有した者にとってその変形や改良が可能なのは明ら
かである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による白色光源を示す概略
断面図である。
【図２】本発明の第１実施例による白色光源製造方法を
概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施例による白色光源製造方法を
概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施例による白色光源製造方法を
概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施例による白色光源製造方法を
概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の第１実施例によるカーボンナノチュー
ブの成長に用いられる熱化学気相蒸着装置を示す概略断
面図である。
【図７】本発明の第１実施例によるカーボンナノチュー
ブの成長段階を示す概略断面図である。
【図８】本発明の第１実施例によるカーボンナノチュー
ブの成長段階を示す概略断面図である。
【図９】本発明の第１実施例によるカーボンナノチュー
ブの成長段階を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の第１実施例によるカーボンナノチュ
ーブの成長段階を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の第２実施例による白色光源を示す概
略断面図である。
【図１２】本発明の第２実施例による白色光源製造方法
を示す概略断面図である。
【図１３】本発明の第２実施例による白色光源製造方法
を示す概略断面図である。
【図１４】本発明の第２実施例による白色光源製造方法
を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１００ 下部基板 １５０ 反応防止膜 ２００ 金属膜 ３００ 触媒金属膜 ３００’ 触媒金属粒子 ３５０ 絶縁膜パターン ４００ カーボンナノチューブ ５００ スペーサ ６００ 透明な上部基板 ７００ 透明電極 ８００ 蛍光体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳 在銀 大韓民国ソウル特別市城北区貞陵１洞1015 番地慶南アパート106棟1001号

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下部基板上に形成されてカソードとして
    用いられる金属膜と、 前記金属膜上に形成された触媒金属膜と、 前記触媒金属膜上に垂直配向された電界電子放出用カー
    ボンナノチューブと、前記触媒金属膜上に設けられたス
    ペーサと、 前記スペーサ上に前記カーボンナノチューブに対向する
    ように蛍光体が付着されるアノード用透明電極が付着さ
    れた透明な上部基板と、 を備えることを特徴とする白色光源。
  2. 【請求項２】 前記下部基板は、ガラス、石英、アルミ
    ナまたはシリコンからなることを特徴とする請求項１に
    記載の白色光源。
  3. 【請求項３】 前記金属膜は、クロム膜、チタニウム
    膜、窒化チタニウム膜、アルミニウム膜またはタングス
    テン膜であることを特徴とする請求項１に記載の白色光
    源。
  4. 【請求項４】 前記金属膜の下部に設けられ、前記下部
    基板と前記金属膜との反応を防止する絶縁物質からなる
    反応防止膜をさらに備えることを特徴とする請求項１に
    記載の白色光源。
  5. 【請求項５】 前記触媒金属膜は、ナノ寸法の相互分離
    された触媒金属粒子からなることを特徴とする請求項１
    に記載の白色光源。
  6. 【請求項６】 前記カーボンナノチューブは、前記触媒
    金属粒子のそれぞれから化学気相蒸着により垂直成長さ
    れたものであることを特徴とする請求項５に記載の白色
    光源。
  7. 【請求項７】 前記触媒金属は、コバルト、ニッケル、
    鉄、イットリウムまたはこれらの合金からなることを特
    徴とする請求項５に記載の白色光源。
  8. 【請求項８】 前記触媒金属膜上に設けられ、前記触媒
    金属膜を選択的に露出させる開口を有する絶縁膜パター
    ンをさらに備え、 前記カーボンナノチューブは、前記触媒金属膜の前記開
    口によって露出される部分上に選択的に位置し、 前記スペーサは、前記絶縁膜パターン上に設けられるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の白色光源。
  9. 【請求項９】 前記蛍光体は、（３Ｃａ3（ＰＯ4）2Ｃ
    ａＦＣｌ／Ｓｂ，Ｍｎ）の単波長白色発光を起こす蛍光
    物質、またはＹ2Ｏ3：Ｅｕ、ＣｅＭａＡ11Ｏ 19：Ｔｂ及
    びＢａＭｇ2Ａｌ16Ｏ7の３波長白色発光を起こす蛍光物
    質からなることを特徴とする請求項１に記載の白色光
    源。
  10. 【請求項１０】 下部基板上にカソードとして用いられ
    る金属膜を形成する段階と、 前記金属膜上に触媒金属膜を形成する段階と、 前記触媒金属膜上に電界電子放出用カーボンナノチュー
    ブを垂直配向されるように成長させる段階と、 前記触媒金属膜上にスペーサを設ける段階と、 前記スペーサ上に前記カーボンナノチューブに対向する
    ように蛍光体が付着される透明電極が形成された透明な
    上部基板を載置して実装する段階と、 を含むことを特徴とする白色光源の製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記下部基板は、ガラス、石英、アル
    ミナまたはシリコンからなることを特徴とする請求項１
    ０に記載の白色光源の製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記金属膜は、クロム膜、チタニウム
    膜、窒化チタニウム膜、アルミニウム膜またはタングス
    テン膜であることを特徴とする請求項１０に記載の白色
    光源の製造方法。
  13. 【請求項１３】 前記金属膜を形成する段階前に、絶縁
    物質から前記下部基板と前記金属膜との反応を防止する
    反応防止膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とす
    る請求項１０に記載の白色光源の製造方法。
  14. 【請求項１４】 前記触媒金属膜を形成する段階は、前
    記触媒金属膜を蒸着する段階と、 前記触媒金属膜を粒界エッチングしてナノ寸法の触媒金
    属粒子に分離する段階とからなることを特徴とする請求
    項１０に記載の白色光源の製造方法。
  15. 【請求項１５】 前記粒界エッチングは、アンモニアガ
    スをエッチングガスとして使用することを特徴とする請
    求項１４に記載の白色光源の製造方法。
  16. 【請求項１６】 前記カーボンナノチューブは、化学気
    相蒸着法により前記触媒金属粒子のそれぞれから垂直配
    向されるように成長されることを特徴とする請求項１４
    に記載の白色光源の製造方法。
  17. 【請求項１７】 前記化学気相蒸着は、アセチレン、エ
    チレン、プロピレン、プロパンまたはメタンガスの炭化
    水素ガスをカーボンソースとして用いることを特徴とす
    る請求項１６に記載の白色光源の製造方法。
  18. 【請求項１８】 前記触媒金属は、コバルト、ニッケ
    ル、鉄、イットリウムまたはこれらの合金であることを
    特徴とする請求項１４に記載の白色光源の製造方法。
  19. 【請求項１９】 前記触媒金属膜上に、前記触媒金属膜
    を選択的に露出させる開口を有する絶縁膜パターンを形
    成する段階をさらに含み、 前記カーボンナノチューブは前記触媒金属膜の前記開口
    によって露出される部分上に選択的に位置し、 前記スペーサは前記絶縁膜パターン上に設けられること
    を特徴とする請求項１０に記載の白色光源の製造方法。
  20. 【請求項２０】 前記蛍光体は、（３Ｃａ3（ＰＯ4）2
    ＣａＦＣｌ／Ｓｂ，Ｍｎ）の単波長白色発光を起こす蛍
    光物質、またはＹ2Ｏ3：Ｅｕ、ＣｅＭａＡ11Ｏ19：Ｔｂ
    及びＢａＭｇ2Ａｌ16Ｏ7の３波長白色発光を起こす蛍光
    物質からなることを特徴とする請求項１０に記載の白色
    光源の製造方法。
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