KR20030081997A

KR20030081997A - 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 조명장치

Info

Publication number: KR20030081997A
Application number: KR1020020020472A
Authority: KR
Inventors: 백문수; 태경섭; 박재영; 이병철; 박영돈
Original assignee: 나노퍼시픽(주)
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2003-10-22
Also published as: KR100800567B1

Abstract

본 발명은 열적, 화학적으로 극히 안정되어 있고 나노미터 두께의 지름을 갖은 극히 뾰족한 모양의 탄소나노튜브를 이용한 새로운 개념의 전계방출소자의 제조 방법에 관한 것으로 탄소나노튜브를 전기영동법으로 금속선에 배열시켰으며, 금속 도금으로 탄소나노튜브와 금속선간의 접착력을 증대시켜 나노튜브의 물리적,화학적 안정성이 높고 전자전달이 용이하여 금속선과의 접촉저항을 감소시켜 조명장치용 전자에미터 소자로 이용할 수 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 조명장치{Field Emission Type Light System using Carbon Nanotubes}

본 발명은 가정용 및 광고용에 적합한 조명장치 및 그 제조방법에 관한 것으로 발광효율을 극대화하여 전기에너지를 절약할수 있는 조명장치를 제조하고자 한다.

종래의 형광등과 같은 조명장치는 수은 및 불활성기체를 내포하는 형광체가 코팅된 유리관내에서 수은아크방전을 일으켜 자외선을 가시광선으로 변환되어 빛을 발생한다. 이와 같이 형광등과 같은 조명장치는 일반적으로 긴 유리관 모양을 하고 있기 때문에 직선형, 원모양 등과 같이 한정된 형태를 갖을수 밖에 없다. 그리고에너지 효율 측면에서 30-40% 수준으로 백열전등에 비해서는 다소 높은 수준이나 개선의 여지가 많다. 뿐만아니라 내구성 측면에서 2000 내지 3000시간 정도의 낮은 수준이다.

한편 최근에는 유기 발광소자(EL)를 이용하여 에너지효율이 높고, 두께가 수mm인 평면 조명장치를 개발하고 있으나, 이는 유기물을 사용하기 때문에 내구성이 떨어지고, 조명으로써 충분한 조도를 발휘할수 없다.

본 발명에서는 기존 조명장치보다 우수한 조도를 발휘하면서 에너지효율이 높고, 내구성을 보유한 조명장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 양극으로 사용되는 원통형 기판(4) 내부에 ITO(Indium tin oxide)층이 도포되어 있고, ITO층 위에 형광체층이 도포되어 있으며, 음극으로 사용되는 금속선(Wire)(1)에는 전기영동을 이용하여 탄소나노튜브를 수직에 가깝도록 배열시키며, 유기물의 사용을 배제하여 아웃개싱의 위험성을 제거하며, 탄소나노튜브와 금속선 사이를 금속도금을 이용하여 미세금속입자(2)로 강하게 결합시켜서 접촉저항을 최소화시킨후, 원통형 기판(4)과 금속선(1) 사이를 진공으로 하여 전계방출형 조명장치를 완성할 수 있었다.

제 1도는 본 발명의 제조공정를 도시한 단면도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1 : 금속선(wire) 2 : 미세금속입자

3 : 탄소나노튜브 4 : 원통형 기판

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전계방출소자는 탄소나노튜브를 전기영동법으로 금속선(1)에 배열시킨후 금속도금으로 탄소나노튜브와 금속선 사이의 결합력을 증대시켰다. 사용된 탄소나노튜브는 산화 절단하여 사용하였다. 이하, 본 발명에 관하여 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하도록 한다.

금속선(1)은 Cu, Al, Pt, Ag, Cr, Au와 같은 전기전도성이 우수한 금속중에서 선택된 1종으로, 금속선 위에는 실질적으로 전자방출원으로 사용되는 탄소나노튜브(3)가 설치되어 있으며, 탄소나노튜브는 아크방전을 이용하여 제조되고, 질산과 황산이 혼합된 산화제에서 8시간이상 산화시켜 직경(d)이 1 ~ 100㎚이고, 길이(L)가 0.01 ~ 20 ㎛이고, 길이(L)와 직경(d)의 비인 L/d가 5 ~ 20000이 되게한 후, 일반적인 대전제로 처리하여 전기영동법으로 층두께가 0.01 ~ 10㎛가 되게 탄소나노튜브층(3)을 형성시켰다. 좀 더 바람직하게는 탄소나노튜브의 직경(d)이 10 ~ 50㎚이고, 길이(L)가 0.1 ~ 5㎛이고, 길이(L)와 직경(d)의 비인 L/d가 2 ~ 500일때 더욱 더 전자방출 능력이 우수하였다.

탄소나노튜브층(3)위에 전극기판과 탄소나노튜브와의 접착성을 향상시키기 위해 Ag, Cu, Ni, Zn, Au, Co, Al로부터 선택된 1종의 금속을 이용하여 전기도금법으로 2 ~ 8볼트에서 1 ~ 60 초간 도금을 한후 추가로 0.5 ~ 3볼트로 1 ~ 5분간 전기도금을 하여 입자크기가 0.001 ~ 0.5㎛의 미세금속입자(2)로 탄소나노튜브 사이사이의 빈공간이 채워져 있게 하였다. 금속선과 탄소나노튜브와의 접착성이 불량할 경우 전자방출시 과부하에 의해 전자방출원으로써 충분한 수명을 발휘할수 없다.

금속선(1) 위에 설치된 전자방출에 유효한 나노튜브의 밀도는 10³내지10¹⁰개/㎟일 경우 충분한 발광효과를 발휘할 수 있었으며, 좋게는 10³내지 10⁷개/㎟일때 더욱 양호한 발광특성을 나타내었다. 나노튜브의 밀도는 10³개/㎟ 미만일 경우는 충분한 발광을 나타내지 못해 조명으로써 사용할수 없었으며, 10¹⁰개/㎟를 초과해서는 실질적으로 제조할수 없었다.

본 발명은 열적, 화학적으로 극히 안정되고, 기존의 탄소나노튜브를 이용한 전계방출장치에서 나타나는 문제점인 탄소나노튜브와 금속선과의 접착력 불량에 의한 접촉저항 증가, 유기바인더에 의한 아웃개싱 등을 해결할 수 있는 전자방출원을 제작할 수 있었으며, 특히 탄소나노튜브가 배열되어 있는 금속선을 조명장치용 전자에미터 소자로 이용할 경우 고휘도화, 저소비전력화, 장수명화가 가능하다.

Claims

양극으로 사용되는 원통형 기판(4) 내부에 ITO(Indium tin oxide)층이 도포되어 있고, ITO층 위에 형광체층이 도포되어 있으며, 음극으로 사용되는 금속선(Wire)(1) 위에는 대전제로 처리된 탄소나노튜브를 전기영동법으로 층두께가 0.01 ~ 10㎛가 되게 탄소나노튜브층(3)을 형성시키고, 그위에 금속선과 탄소나노튜브와의 접착성을 향상시키기 위해 전기도금법으로 생성된 미세금속입자(2)로 탄소나노튜브 사이사이의 빈공간이 채워져 있으며, 원통형 기판과 금속선 사이가 진공으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 조명장치.
1항에 있어서, 탄소나노튜브는 단층(single-wall)나노튜브 또는 다층(multi-wall)나노튜브이고, 직경(d)이 1 내지 100㎚이고, 길이(L)가 0.01 내지 20 ㎛이고, 나노튜브의 길이(L)와 직경(d)의 비인 L/d가 5 내지 20000인 나노튜브가 10³~ 10¹⁰개/㎟ 의 밀도로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 조명장치.
1항에 있어서, 금속선(1)과 탄소나노튜브(3)와의 접착력 향상을 위한 미세금속입자층(2)은 Ag, Cu, Ni, Zn, Au, Co, Al로부터 선택된 1종의 금속을 이용하여 전기도금법으로 2 ~ 8볼트에서 1 ~ 10 초간 도금을 한후 추가로 0.5 ~ 3볼트로 1 ~ 5분간 전기도금을 하여 입자크기가 0.001 ~ 0.5㎛의 크기로 생성되어 탄소나노튜브 사이사이의 빈공간이 채워져 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 조명장치.
1항에 있어서, 금속선(1)은 Cu, Al, Pt, Ag, Cr, Au와 같은 전기전도성이 우수한 금속중에서 선택된 1종으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 조명장치.