KR20100058339A - 탄소나노튜브 광원 제조방법 및 그 구조체 - Google Patents

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KR20100058339A
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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 파우더를 균일하게 분사 증착시킨 박막을 전극으로 활용하면서, 전계방출소자(또는 전자방출소자) 기능도 함께 수행토록 구성한 탄소나노튜브 광원 구조에 관한 것이다.
본 발명은 1) 탄소나노튜브로 이루어진 음극과 양극을 함께 구비하여 상기 음극에서 방출되는 전계(field)로 인해 양극의 형광물질이 가시광선을 발(發)하도록 하는 유형의 광원 구조와, 2) 탄소나노튜브로 이루어진 음극만을 구비하여, 상기 음극에서 방출되는 전자(electron)가 비활성기체에 충돌하여 자외선을 생성시키고, 상기 자외선이 형광물질과 반응하여 가시광선을 발(發)하도록 하는 유형의 광원 구조를 함께 제공한다.
본 발명에 따르면 1) 바인더나 분산용매와 같은 불순물이 없는 순수한 탄소나노튜브로 전계(전자)방출 소자를 겸한 음극을 형성하므로 전자ㆍ전기적 특성이 우수하고, 2) 탄소나노튜브와 기재간의 직접 결합으로 인하여 내ㆍ외적 환경 및 시간 경과에 따른 전계(전자)방출 소자의 내구성 저하가 낮고, 3) 탄소나노튜브 전극에서 낮고, 균일한 면저항이 발현되어 발열 현상이 감소되고, 4) 탄소나노튜브와 기재간의 결합력이 우수하고, 5) 음극 및 양극 제조공정이 간소하여 제조공정시간이 획기적으로 감소되고, 6) 고휘도 및 고효율인 탄소나노튜브 광원 구조가 도출된다.
탄소나노튜브, 전계방출소자, 전자방출소자, 전극, 형광층, 광원

Description

탄소나노튜브 광원 제조방법 및 그 구조체{Structure of carbon nanotube light source}
본 발명은 탄소나노튜브 파우더를 균일하게 분사 증착시킨 박막을 전극으로 활용하면서, 전계방출소자(또는 전자방출소자) 기능도 함께 수행토록 구성한 탄소나노튜브 광원 구조에 관한 것이다.
수은과 같은 유해물질과 산화 및 열화되는 음극물질을 사용하는 냉음극형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp ; CCFL)를 대체하기 위해 수은을 사용하지 않고, 산화 및 열화에 저항성이 큰 음극물질을 이용한 친환경, 고휘도, 고효율, 저소비전력 광원을 개발하려는 많은 연구가 그동안 진행되어 왔다. 그 중 탄소나노튜브를 이용한 전계방출에 관한 연구결과는 1995년에 다수의 논문(A.G. Rinzler et al., "Unraveling Nanotubes: Field Emission from an Atomic Wire", Science 15, 1995, vol. 269, no. 5230, pp. 1550-1553; Walt A. de Heer et al., "A Carbon Nanotube Field-Emission Electron Source", Science 17, 1995, vol. 270, no. 5239, pp. 1179-1180; L. A. Chernozatonskii et al., "Electron field emission from nanofilament carbon films", Chemical Physics Letters 233, 1995, pp. 63-68)에 발표되었다. 전계방출을 이용한 탄소나노튜브 광원은 Y. Saito 등이 1998년에 논문("Field emission from multi-walled carbon nanotubes and its application to election tubes", Applied Physics A 67, 1998, pp. 95-100)에서 처음 소개하였고, 이러한 탄소나노튜브 광원의 제조방법은 미합중극 특허 US 6,239,547 B1("Electron-emitting source and method of manufacturing the same", 2001)에 제시되어 있다.
이하에서는 탄소나노튜브를 이용한 광원 제조에 관한 종래 기술들을 간단히 살펴 보기로 한다.
Ⅰ. 음극 및 양극 두전극이 구비된 탄소나노튜브 광원 제조방법
1. 음극 제조방법
① 탄소나노튜브 수직성장에 의한 방법
본 방법은 촉매를 캐소드 전극 위에 형성시키고 기판을 가열하여 하이드로 카본 전구체가 열·화학적 작용에 의해 깨지면서 촉매부에서 탄소나노튜브가 자라나 캐소드에 수직으로 성장하게 하는 방법이다. 그런데, 수직 성장된 탄소나노튜브들은 직경에 비해 길이가 500~1000배 정도 크기의 형상을 하고 있고, 내·외적 충 격에 의해 쓰러지기 쉬우며, 캐소드와 탄소나노튜브간 접착력이 약하여 내구성이 저하되며, 고가 CVD(Chemical Vapor Deposition) 장비를 이용한다는 단점이 있다. 한편, 촉매로 사용되는 금속 등의 전극(음극) 위에 탄소나노튜브를 수직 성장시키는 방법 때문에, 탄소나노튜브 자체가 전극의 역할은 할 수 없고, 전자방출 소자 역할만 할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브 성장 속도가 느리기 때문에 제조 공정속도에 영향을 끼치므로 생산단가 상승으로 이어지는 단점이 있다.
Jean-Marc Bonard 등은 논문("Field emission from cylindrical carbon nanotube cathodes : Possibilities for luminescent tubes", Applied Physics Letters 78, 2001, pp. 2775-2777)에서 Fe 촉매(catalyst)를 이용하여 다중벽 탄소나노튜브를 금속 와이어에 성장시켜 실린더 형태의 음극 전자방출 소자를 제작하고 그 음극 주위 방사방향으로 대향하는 형광층이 있는 전도성 전극(양극)유리관으로 이루어진 탄소나노튜브 광원을 소개하였다.
대한민국 특허 제0499123호("탄소나노튜브 박막제조방법")는 프로핀 가스와 암모니아 가스를 소정비율로 혼합하는 단계와, 증착대상 기판이 안치되어 있는 챔버 내로 혼합된 프로핀 가스와 암모니아 가스를 공급하여 화학기상증착법에 의해 챔버 내에 설치된 기판상에 탄소나노튜브 박막을 형성시키는 단계를 포함하며, 이로서 고품질의 탄소나노튜브 박막을 얻어 전계방출소자 등을 제조할 수 있다고 기재되어 있다.
대한민국 특허 제0763890호("CNT를 적용한 전계방출소자의 제조방법")는 탄소나노튜브가 템플리트의 저면에 있는 점착물질에 의해 부착되거나, 저면에 직접 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있는 기술로 기재되어 있다.
대한민국 특허 제0684823호("전계방출디스플레이의 필드 에미터용 카본나노튜브를 성장시키는 방법")는 지지판 위에 Fe-Ni 또는 Ni-Co 합금층을 배치하고, 상기 합금층 위에 촉매 금속층을 배치하고, 상기 촉매 금속층 위에 카본나노튜브가 성장되도록 하여 밀도가 균일하고 기판과의 접착성이 좋아 안정적으로 에미션 효율을 높일 수 있는 방법을 기재하였다.
② 탄소나노튜브 페이스트 용액에 의한 방법
본 방법은 탄소나노튜브를 분산용매 및 바인더에 혼합하여 페이스트 용액을 만든 후 캐소드 기판에 스크린 프린팅 등의 방법으로 코팅을 하는 것으로서, 용매 및 바인더로 인한 탄소나노튜브의 물성저하 및 기재와 탄소나노튜브간의 약한 접착력, 용매 및 바인더의 불순물로 인한 높은 저항 때문에 소자가 고온으로 발열되는 문제점이 있어 전계방출소자로서의 기능 및 내구성에 문제가 있다.
대한민국 특허 제0647439호("전자 방출용 나노카본계 전계 에미터 제작 방법”)는 나노 카본계 물질을 페이스트화하여 전자 방출용 전계에미터를 제작하는 방법으로서, 경화형 및 에폭시 수지에 입자상 나노 카본계인 탄소나노튜브 및 탄소나노파이버에 모두 적용할 수 있고, 금속산화물 첨가로 페이스트의 밀착력과 분산을 증가시켜 전자방출량을 증가시키고, 고전압하에서도 에미터 탈착을 방지하기 위한 버퍼 전극을 도입하여 패키징후에도 에미터의 신뢰도를 증가시키는 기술로 기재되어 있다.
미합중국 특허 US 6,239,547 B1("Electron-emitting source and method of manufacturing the same", 2001)은 음극(전극)위에 전도성 접착제(conductive adhesive)를 바르고 탄소나노튜브를 증착시키거나 전도성 접착제와 탄소나노튜브를 혼합하여 전자방출소자 팁(tip)이 접착제 외부로 노출되도록 하는 기술이 기재되어 있다.
③ 탄소나노튜브를 전기영동법으로 증착하는 방법
대한민국 특허 제0842934호("액정표시장치용 백라이트") 및 대한민국 특허 제0842936호("액정 표시장치용 백라이트의 제조 방법")는 금속박막층 위에 탄소나노튜브를 전기영동법으로 증착하여 전계방출 소자를 만드는 것으로서, 금속박막층(전극)과의 접착성을 향상시키기 위해 전기도금법으로 생성된 미세금속입자를 탄소나노튜브층의 탄소나노튜브들 사이에 형성하는 기술로 기재되어있다.
위 기술은 [참고도 1] 및 [참고도 2]에 도시된 바와 같이, 서로 마주보도록 대향되는 상부기판 및 하부기판과; 상기 하부기판의 상에 제공되는 박막도전층과; 상기 박막도전층의 상에 패턴된 금속박막층과; 상기 금속박막층의 상에 제공되는 탄소나노튜브층; 및 상기 탄소나노튜브층의 탄소나노튜브들 사이에 제공되는 미세금속입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표시장치용 백라이트를 제공한다.
[참고도 1]
Figure 112008080972413-PAT00001
[참고도 2]
Figure 112008080972413-PAT00002
[참고도 1, 2에 대한 도면부호의 설명]
1 : 상부 기판 2 : ITO (Indium tin oxide)층
3 : 형광체층 4 : 미세금속입자
5 : 스페이서 6 : 박막도전층
7 : 하부 기판 8 : 진공배기 유리관
9 : 금속박막층 10 : 탄소나노튜브
A : 액정 표시 장치 B : 프리즘판
C : 확산판 D : 도광판
E : 반사판 F : 냉음극 형광관
위 기술은 그 효과로서, "탄소나노튜브를 평면상에 배치하여 균일한 빛을 직접 발산하므로 기존의 백라이트에서 사용되는 다수의 부품, 즉 광원, 도광판, 광확산판, 프리즘판, 반사판 등을 사용하지 않아 제조 공정의 단순화를 가져오고 이로 인한 생산비의 감소는 커다란 공업적 효과를 가져온다. 또한 복잡하지 않은 구성으로 인해 빛의 광투과율이 크게 향상되고 상대적으로 고휘도를 얻을 수 있다."는 점을 내세우고 있다. 그러나, 위 기술은 미세금속입자(4)로 탄소나노튜브(10) 사이사이의 빈 공간을 채움으로써, 전극기판과 탄소나노튜브와의 접착성이 불량할 경우 전자방출시 과부하에 의해 전자방출원으로써 충분한 수명을 발휘할수 없다는 점을 보완한 것에 특징이 있을 뿐, 박막도전층(6)과 ITO층(2)으로 음극과 양극을 구성하고, 상기 박막도전층(6) 위에 증착된 탄소나노튜브(10)가 전계방출소자로 기능한다는 점은 기존의 탄소나노튜브 광원 구조와 큰 차이점이 없다.
④ 탄소나노튜브를 분사 증착하는 방법
탄소나노튜브를 분사 증착하는 방법 중 콜드스프레이 방법은, 증착방법의 특성상 1~50㎛ 크기의 금속류 분말에 일반적으로 적용할 수 있는 것으로서 비중이 낮고 입자가 미세한 나노미터 크기의 탄소나노튜브를 증착시켜 전계방출 소자를 제조한다는 것은 거의 불가능하다. 왜냐하면, 분사 기체 반류로 인하여 탄소나노튜브가 기재에 거의 증착되지 않아 전계방출소자의 특징을 발현할 수 있는 소자를 만들 수 없기 때문이다.
대한민국 특허 제0691161호("전계방출 에미터전극 제조방법")는 상기 콜드스 프레이 방법을 이용하여 탄소나노튜브 분말을 초음속으로 분사하여 기재에 증착하여 전계방출 에미터 전극을 제조하는 방법을 개시하였다. 이 방법은 전술한 바와 같이 금속 입자가 아닌 비중이 작고 미세한 입자인 탄소나노튜브를 분사하기 때문에 기체가 기재에 충돌시 고속기체의 반류 현상이 발생하여 탄소나노튜브가 기재에 증착되기 어렵고, 탄소나노튜브의 형태 특성상 직경에 비하여 길이가 500~1000배 커기 때문에 반데르발스 인력에 의한 응집현상 및 고분자 사슬의 엉킴현상으로 균일한 분산 없이 분사하였을 경우, 기재에 균일하게 증착되는 것이 불가능하고, 이로 인하여 전계방출소자의 특성이 발휘되지 못하는 큰 문제점이 있다.
한편, 에어로졸 증착법을 이용하여 탄소나노튜브를 기재에 분사 증착시키는 방법은 에어로졸 챔버와 증착챔버의 압력차이를 이용하여 에어로졸 챔버에 있는 탄소나노튜브를 이송기체에 실어 보내어 증착챔버에 있는 기재에 증착시키는 방법으로서, 탄소나노튜브의 물리적ㆍ화학적 응집 현상으로 상기 방법에서 탄소나노튜브를 균일하게 단위시간당 일정한 양으로 탄소나노튜브를 분산 공급하는 것이 어렵기 때문에, 탄소나노튜브를 균일하게 기재에 증착시킬 수 없다. 따라서, 상기 방법으로 면저항이 균일하고, 면저항이 낮은 전계방출소자를 제조하기 어려운 단점이 있다.
대한민국 특허등록 제 0531165호("기재위에 고정된 카본파이버를 위한 방법 및 장치"), 미합중국 특허등록 US 7,306,503 B2("Method and apparatus of fixing carbon fibers on a substrate using an aerosol deposition process", 2007)는 상기 에어로졸 증착방법을 이용하여, 에어로졸 챔버에서 카본나노튜브를 바로 생성해 서 증착챔버로 탄소나노튜브를 수송하여 증착하는 방법을 개시하였다. 전술한 바와 같이, 금속 입자의 형태와 아주 다른 튜브형의 재료(직경(수~수십 나노미터) 대비 길이(수~수십 마이로크미터)의 비(aspect ratio)가 500~1,000배)이며, 반데르발스(van der waals) 인력에 의한 응집현상 및 고분자 사슬의 엉킴현상과 유사한 특성을 가지는 재료인 탄소나노튜브의 물질적인 특성으로 인하여 균일한 증착이 요구되는 탄소나노튜브 재료의 형태가 기존의 에어로졸 방법으로서는 균일한 면저항 및 면저항이 낮은 전계방출 소자를 제조할 수 없는 문제점이 있다.
대한민국 특허 제0846148호("고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법 및 장치")는 상기 에어로졸 증착법을 이용한 것으로서 증착챔버내에 간헐적으로 감압을 증폭시켜 에어로졸화된 입자의 충돌속도를 가속화하여 충돌시킴으로써 상온에서 박막을 얻는 방법이나, 간헐적으로 압력을 조절하기 때문에 고상파우더를 균일하게 증착하는데 상당한 문제점이 있다. 왜냐하면, 간헐적으로 압력을 조절할 때 이로 인하여 그 시간에 해당되는 순간의 분사 간격으로 균일한 박막을 형성할 수 없어 탄소나노튜브 전계방출소자의 면저항이 균일하지 않은 문제점이 있기 때문이다. 특히 튜브형 재료(직경대비 길이가 500~1000배)인 경우 반데르발스 인력에 의한 응집 및 고분자 사슬의 엉킴을 분산시키기 위하여, 에어로졸 챔버내에 필터 또는 바람개비를 설치한다고 기재되어 있으나, 오히려 이로 인해 챔버내에 와류가 발생하여 튜브형 재료의 응집이 더 심화되어 증착챔버내로 분말 입자가 수송되기 전 단계에서 분산에 역효과가 발생할 수 있고, 필터로 인하여 수송기체의 유량 부하가 발생할 우려가 클 뿐만 아니라, 에어로졸 챔버에서 증착챔버로 수송되는 에어로졸 챔버의 출구관 단면에 단위시간당 일정한 유량과 일정한 양의 분말이 공급되지 못하고 불규칙적으로 수송된 에어로졸이 노즐을 통하여 기재에 분사되므로 균일한 면저항을 발휘할 수 없는 큰 문제점이 있다.
2. 양극 및 형광층 제조방법
상기 음극에 대향하는 투명한 기판에 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 전도성 물질을 스퍼터링(sputtering) 등의 방법으로 투명 전도성 양극층을 형성하고, 상기 전도성 양극층에 형광체를 스프레이 등의 방법으로 도포하여 형광층을 형성한다.
미합중국 특허 공개 US 2002/0121856 A1("Fluorescent lamps with extended service life", 2002)은 종래에 형광램프 음극 재질로 사용되어왔던 산화바륨(BaO)과 메탈을 대체하여 음극 전극 상부에 탄소나노튜브층을 형성하여 전자방출 소자(emitter)가 열화(depletion)되는 것을 방지하여 수명(service-life)을 길게 할 수 있는 탄소나노튜브 형광램프를 개시하였다.
Ⅱ. 음극이 단독으로 구비된 탄소나노튜브 광원 제조방법
양극 없이 음극이 단독으로 구비(교류전류 적용)되어 전극(음극) 위에 탄소나노튜브를 수직성장 시키거나, 탄소나노튜브 페이스트 용액을 이용하여 스프레이 하여 음극을 형성하고 이 음극에 대향하는 투명한 기재에 형광층을 스프레이 등의 방법으로 도포하는 방법이다.
미합중국 공개특허 US 2004/0178712 A1("Cold cathode and cold cathode discharge device", 2004)은 마주보는 쌍의 니켈(Ni), 납(Pb)으로 이루어진 전극에 CVD(Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering) 방법으로 카본, 다이아몬드를 증착하여 전자방출소자를 만들고, 형광체를 도포한 유리관에 아르곤(Ar), 수은(Hg), 제논(Xe) 등의 기체를 주입하여 음극과 봉합 결합하여 형광램프를 제조하는 것을 공개하였다.
대한민국 특허 제0527691호("탄소나노튜브를 갖는 교류형 형광 표시판")는 형광층이 내벽에 도포된 진공유리관, 진공유리관 내부에 위치한 봉상의 텅스텐 필라멘트 전극에 탄소나노튜브를 수직성장시키거나, 페이스트로 증착하여 탄소나노튜브 광원을 제조하는 기술로 기재되어 있다.
Ⅲ. 탄소나노튜브 필라멘트(filament)를 이용한 백열(incandescent) 광원 제조방법
토마스 에디슨이 발명한 탄소 필라멘트 백열 전구가 개발된 이래로 필라멘트의 수명과 전기적 특성이 향상된 텅스텐 필라멘트가 개발되어 현재까지 사용되고 있다. 2002년 Kaili Jiang 등은 Nature("Spinning continuos carbon nanotube yarn", Nature, vol. 419, 2002, p. 801)에 탄소나노튜브 실(yarn)을 제조하는 방법을 제시하고, 이 탄소나노튜브 실로 제조된 탄소나노튜브 필라멘트 백열전구(carbon nanotube filaments emitting incandescent light)의 실시예를 보여주었다. 또한 상기 탄소나노튜브 얀(yarn)을 제조하는 방법은 미합중국 특허 US 7,045,108 B2("Method for fabricating carbon nanotube yarn", 2006)에 개시되어 있다. 다만, 이 기술은 상기 탄소나노튜브를 실리콘 기재 위에 수백마이크로미터 크기로 수직성장시킨 탄소나노튜브를 잡아 당겨 실을 만들고 이 실로 탄소나노튜브 필라멘트로 사용하는 것이기 때문에 탄소나노튜브 필라멘트 제조공정 시간이 길어 생산단가가 높다는 단점이 있다.
전술한 바와 같이 종래의 탄소나노튜브 광원 제조방법 및 그 구조체에서 발생하는 문제점은 다음과 같이 정리할 수 있다.
ⅰ) 탄소나노튜브 수직성장에 의한 광원 제조방법은 수직성장한 탄소나노튜브가 내ㆍ외적 충격에 의해 쓰러지는 현상으로 탄소나노튜브 전자방출 기능이 저하되며, 탄소나노튜브와 전극간의 접착력이 작아 내구성이 저하되는 문제가 있다.
ⅱ) 탄소나노튜브 페이스트 용액에 의한 광원 제조방법은 분산 용매 및 바인더와 혼합된 탄소나노튜브 전자방출소자의 고온 발열이 발생하여 탄소나노튜브 광원의 전기적 특성이 저하되는 문제가 있다.
ⅲ) 탄소나노튜브 분사 증착에 의한 탄소나노튜브 광원 제조방법은 분사 기체의 반류로 인해 탄소나노튜브의 기재 증착율이 낮고, 탄소나노튜브의 응집에 대한 분산 처리가 없는 이상 기재에 균일하게 증착시키는 것이 불가능하여 낮고 균일한 면저항이 발현되는 탄소나노튜브 광원을 제조하기가 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다음과 같다.
1. 기재에 직접 탄소나노튜브 파우더 자체를 균일하게 분사 증착시켜 탄소나노튜브 증착층 자체가 전극 및 전계방출 소자 기능을 동시에 발현할 수 있는 음극을 형성한다.
2. 양극이 구비되거나, 음극만이 구비된 광원을 구성하며, 양극이 구비된 광원을 구성할 경우에는 탄소나노튜브를 양극으로 활용한다.
본 발명의 발명자들은 고상파우더의 입자 크기, 형태, 비중에 상관없이 수송기체와 고상파우더가 혼합된 에어로졸을 균등하게 분산시켜, 기재의 재질 및 크기에 관계없이 균일하게 연속적으로 증착시켜 균일한 박막을 형성할 수 있는 장치 및 방법에 대하여 특허출원한 바 있다(대한민국 특허출원 제2008-0072119호 "고상파우더 연속 증착장치 및 고상파우더 연속 증착방법"). 또한, 본 발명자들은 이에 더하여 고상파우더 분사 증착과정에서의 기재 열충격 제거를 위한 온도조절 방법에 대하여 특허출원한 바 있다(대한민국 특허출원 2008-0111430호 “기재 열충격 제어수단을 구비한 고상파우더 분사 증착 장치 및 고상파우더 분사 증착 과정에서의 기재 열충격 제거를 위한 온도조절 방법”).
상기 특허출원 제2008-0072119호 명세서의 [발명의 상세한 설명] 중에는 고상파우더 연속증착에 의해 형성되는 결과물로서, 탄소나노튜브 분말로 증착 구현되는 FED(field emission display) 및 BLU(back light unit)용 전계방출소자, 탄소나노튜브 분말로 증착 구현되는 고효율 조명장치 등이 열거되어 있고, 상기 특허출원 제2008-0111430호 명세서에는 전기전자관련 코팅, FED(field emission display)용 전계방출소자, BLU(back light unit)용 전계방출소자, 조명장치 등을 제조할 수 있는 것으로 기재되어 있다. 상기 두 출원발명은 탄소나노튜브를 기재에 균일하게 증착시킬 수 있는 기술에 관한 것이므로, 이를 이용하여 기재에 탄소나노튜브를 분사 증착시키면, 탄소나노튜브 자체를 전극으로 활용하더라도 낮고 균일한 면저항을 유지토록 할 수 있으므로 별도의 금속 전극이 불필요해지고, 순수한 탄소나노튜브 전극이 전계방출소자(또는 전자방출소자)의 기능을 겸하게 되므로 전기·전자적 성능이 향상되며, 기재와 탄소나노튜브가 직접 결합하므로 우수한 내구성을 기대할 수 있게 된다. 위와 같은 수단은 음극 및 양극이 모두 존재하는 광원 구조와 음극만 존재하는 광원 구조 모두에 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면 기존 탄소나노튜브 광원 구조체에서 제기된 내구성 저하 및 고온발열 현상 문제를 해결할 수 있으며, 다음과 같은 구체적인 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 종래 기술에서 일반적으로 전극(금속, 전도성 박막 등) 위에 탄소나노 튜브를 증착하여 전계(전자)방출소자 기능을 발현한 것과 달리, 본 발명에서는 탄소나노튜브 자체를 전극(음극) 및 전계(전자)방출소자 기능 두 가지를 동시에 발현할 수 있다.
둘째, 희귀금속인 인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide)를 사용하지 않고 탄소나노튜브를 이용하여 양극을 형성할 수 있다.
셋째, 양극의 형광층을 형성할 때 탄소나노튜브와 형광 파우더를 혼합하여 사용할 수 있어 양극의 저항을 낮게 유지할 수 있다.
넷째, 음극 및 양극이 모두 구비된 탄소나노튜브 광원 및 음극만 구비된 탄소나노튜브 광원 모두를 제조할 수 있다.
다섯째, 탄소나노튜브와 기재 사이의 부착력이 우수하여, 종래 기술에서 제기된 부착력으로 인한 내구성 저하 문제를 완전히 해소할 수 있다.
여섯째, 탄소나노튜브가 균일하게 증착되어 낮고 균일한 면저항이 발현되므로, 에미터의 고온 발열 현상을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
일곱째, 밀도가 높고 치밀한 탄소나노튜브 음극을 제조할 수 있어 단위 크기 당 에미터의 수를 증가시킬 수 있어 균일하고 높은 휘도를 유지할 수 있는 탄소나노튜브 광원 제조가 가능하다.
여덟째, 상대적으로 간단한 제조방법으로 제작할 수 있으므로 제조시간을 월등하게 단축시킬 수 있다.
본 발명은 1) 탄소나노튜브로 이루어진 음극과 양극을 함께 구비하여 상기 음극에서 방출되는 전계(field)로 인해 양극의 형광물질이 가시광선을 발(發)하도록 하는 유형의 광원 구조와, 2) 탄소나노튜브로 이루어진 음극만을 구비하여, 상기 음극에서 방출되는 전자(electron)가 비활성기체에 충돌하여 자외선이 생성되고, 상기 자외선이 형광물질과 반응하여 가시광선을 발(發)하도록 하는 유형의 광원 구조를 함께 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면과 함께 본 발명의 여러 가지 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.
Ⅰ. 음극과 양극이 함께 구비한 유형의 광원 구조
본 발명은 상호 이격하여 직류전원을 공급받는 전기회로에 의해 연결된 음극(cathode)층과 양극(anode)층; 및 상기 양극층을 커버하도록 형성된 형광층; 이 밀폐공간 내에 구비되고, 상기 음극층과 양극층은 각각 탄소나노튜브 파우더를 균일하게 분사 증착시킨 박막으로 이루어지며, 상기 음극층은 전계방출소자(field emitter) 기능을 함께 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 광원 구조를 제공한다. 한편, 상기 양극층과 형광층은 단일의 층으로 구성할 수 있다. 즉, 탄소나노튜브 파우더와 형광물질을 혼합하여 균일하게 분사 증착시킨 박막구조를 갖는 양극층을 구성할 수 있는 것이다.
본 발명에서는 [도 1a] 및 [도 1b]에 도시된 바와 같이 상기 음극층과 양극층을 각각 상기 밀폐공간 내에 이격 배치된 두 기재의 대향면에 형성시킨 탄소나노튜브 광원 평면 구조체 실시예와, [도 2a] 및 [도 2b]에 도시된 바와 같이, 진공관 내에 형성된 구조로서, 상기 음극층은 상기 진공관 내에 구비된 기재에 형성시키고, 상기 양극층은 상기 진공관 내면에 형성시킨 탄소나노튜브 광원 곡면 구조체 실시예를 제공한다.
이러한 탄소나노튜브 광원 구조는 1) 기재상에 탄소나노튜브 파우더를 증착하여 탄소나노튜브가 자체가 전극(electrode) 및 전계방출(field emission)소자(emitter) 기능을 동시에 발현할 수 있는 음극(cathode)층을 형성하는 단계; 2) 상기 음극층에 대향하는 기재(또는 진공관 내면)에 탄소나노튜브 파우더를 증착하여 양극층을 형성하고, 상기 양극층에 형광 파우더를 증착하여 형광층을 형성하거나, 탄소나노튜브 파우더와 형광물질을 기재(또는 진공관 내면)에 혼합증착하여 전극 및 형광 기능을 동시에 발현할 수 있는 양극(anode)층을 형성하는 단계; 3) 음극층과 양극층으로 이루어진 위 구조체를 진공 봉합하는 단계로 제작할 수 있다.
Ⅱ. 음극만을 구비한 유형의 광원 구조
본 발명은 교류전원을 공급받는 전기회로가 연결된 음극(cathode)층; 및 형 광층; 이 비활성가스가 주입된 밀폐공간 내에 구비되고, 상기 음극층은 탄소나노튜브 파우더를 균일하게 분사 증착시킨 박막으로 이루어져, 전자방출소자(electron emitter) 기능을 함께 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 광원 구조를 함께 제공한다.
이는 [도 3]에 도시된 바와 같이 상기 음극층과 형광층이 각각 상기 밀폐공간 내에 이격 배치된 두 기재의 대향면에 형성된 탄소나노튜브 평면 구조체 실시예, [도 4]에 도시된 바와 같이, 진공관 내에 형성된 구조로서, 상기 음극층은 상기 진공관 내에 구비된 기재에 형성되고, 상기 형광층은 상기 진공관 내면에 형성된 탄소나노튜브 곡면 구조체 실시예 및 [도 5]에 도시된 바와 같이, 진공관 내에 형성된 구조로서, 상기 음극층은 상기 진공관 내에서 상호 대향하도록 분리 배치된 기재에 증착되어 분리 배치된 기재에 증착된 음극층은 교류전원을 공급받는 전기회로에 의해 연결되고, 상기 형광층은 상기 진공관 내면에 형성된 탄소나노튜브 곡면 구조체 실시예로 구체화될 수 있다.
이러한 탄소나노튜브 광원 구조는 1) 기재에 탄소나노튜브 파우더를 증착하여 전극 및 전자방출(electron emission)소자 기능을 동시에 발현 할 수 있는 음극층을 형성하는 단계; 2) 음극층에 대향하는 기재(또는 진공관 내면)에 형광 파우더를 증착하여 형광층을 형성하는 단계; 3) 상기 음극층과 형광층으로 이루어진 위 구조체에 비활성기체를 주입하여 진공봉합 하는 단계; 로 제작할 수 있다.
위와 같은 본 발명에 따르면 결과적으로 1) 바인더나 분산용매와 같은 불순물이 없는 순수 탄소나노튜브자체의 전극 및 전계(전자)방출 소자를 형성하여 전자ㆍ전기적 특성이 우수하고, 2) 탄소나노튜브와 기재간의 직접 결합으로 인하여 내ㆍ외적 환경 및 시간 경과에 따른 전계(전자)방출소자의 내구성 저하가 낮고, 3) 전계(전자)방출소자 기능을 겸한 탄소나노튜브 전극에 낮고, 균일한 면저항이 발현되어 발열 현상이 감소되고, 4) 탄소나노튜브와 기재간의 결합력이 우수하고, 5) 음극 및 양극 제조공정이 간소하여 제조공정시간이 획기적으로 감소되고, 6) 고휘도 및 고효율인 탄소나노튜브 광원이 도출된다.
도 1a는 음극층과 양극층을 모두 구비하고 양극층과 형광층은 분리 적층된 탄소나노튜브 광원 평면 구조체를 나타낸 모식도이다.
도 1b는 음극층과 양극층을 모두 구비하고 양극층과 형광층이 단일화된 탄소나노튜브 광원 평면 구조체를 나타낸 모식도이다.
도 2a는 음극층과 양극층을 모두 구비하고 양극층과 형광층은 분리 적층된 탄소나노튜브 광원 곡면 구조체를 나타낸 모식도이다.
도 2b는 음극층과 양극층을 모두 구비하고 양극층과 형광층이 단일화된 탄소나노튜브 광원 곡면 구조체를 나타낸 모식도이다.
도 3은 음극층만을 구비한 탄소나노튜브 광원 평면 구조체를 나타낸 모식도이다.
도 4는 1개의 음극층을 구비한 탄소나노튜브 광원 곡면 구조체를 나타낸 모식도이다.
도 5는 2개의 음극층을 구비한 탄소나노튜브 광원 곡면 구조체를 나타낸 모식도이다.
<발명의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기재
110 : 전계(전자)방출소자 기능을 겸한 음극층
120 : 형광층
130 : 양극층(탄소나노튜브 파우더 증착층)
130a : 양극층(탄소나노튜브 파우더와 형광물질의 혼합 증착층)
140 : 스페이서
150 : 비활성기체
160 : 직류전원
170 : 교류전원
180 : 진공관

Claims (8)

  1. 상호 이격하여 직류전원을 공급받는 전기회로에 의해 연결된 음극(cathode)층과 양극(anode)층; 및 상기 양극층을 커버하도록 형성된 형광층; 이 밀폐공간 내에 구비되고,
    상기 음극층과 양극층은 각각 탄소나노튜브 파우더를 균일하게 분사 증착시킨 박막으로 이루어지며,
    상기 음극층은 전계방출소자(field emitter) 기능을 함께 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 광원 구조.
  2. 상호 이격하여 직류전원을 공급받는 전기회로에 의해 연결된 음극(cathode)층과 양극(anode)층; 이 밀폐공간 내에 구비되고,
    상기 음극층은 탄소나노튜브 파우더를 균일하게 분사 증착시킨 박막으로 이루어져, 전계방출소자 기능을 함께 수행하며,
    상기 양극층은 탄소나노튜브 파우더와 형광물질을 혼합하여 균일하게 분사 증착시킨 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 광원 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 음극층과 양극층은 각각 상기 밀폐공간 내에 이격 배치된 두 기재의 대향면에 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 광원 구조.
  4. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 밀폐공간은 진공관인 것으로서,
    상기 음극층은 상기 진공관 내에 구비된 기재에 형성되고,
    상기 양극층은 상기 진공관 내면에 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 광원 구조.
  5. 교류전원을 공급받는 전기회로가 연결된 음극(cathode)층; 및 형광층; 이 비활성가스가 주입된 밀폐공간 내에 구비되고,
    상기 음극층은 탄소나노튜브 파우더를 균일하게 분사 증착시킨 박막으로 이루어져, 전자방출소자(electron emitter) 기능을 함께 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 광원 구조.
  6. 제5항에서,
    상기 음극층과 형광층은 각각 상기 밀폐공간 내에 이격 배치된 두 기재의 대 향면에 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 광원 구조.
  7. 제5항에서,
    상기 밀폐공간은 진공관인 것으로서,
    상기 음극층은 상기 진공관 내에 구비된 기재에 형성되고,
    상기 형광층은 상기 진공관 내면에 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 광원 구조.
  8. 제5항에서,
    상기 밀폐공간은 진공관인 것으로서,
    상기 음극층은 상기 진공관 내에서 상호 대향하도록 분리 배치된 기재에 증착되어, 분리 배치된 기재에 증착된 음극층은 교류전원을 공급받는 전기회로에 의해 연결되고,
    상기 형광층은 상기 진공관 내면에 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 광원 구조.
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