KR100800567B1

KR100800567B1 - Field Emission Type Light System using Carbon Nanotubes

Info

Publication number: KR100800567B1
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: 2008-02-04
Also published as: KR20030081997A

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.

카본나노튜브,전계방출,전자에미터, 조명장치

The present invention relates to a method of manufacturing a new concept field emission device using an extremely sharp carbon nanotube having a thermally and chemically stable and nanometer-thick diameter. The carbon nanotubes are arranged on a metal wire by electrophoresis. In addition, by increasing the adhesion between the carbon nanotubes and the metal wire by metal plating, the physical and chemical stability of the nanotubes are high, and the electron transfer is easy.

Carbon nanotubes, field emission, electron emitters, lighting devices

Description

탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 조명장치{Field Emission Type Light System using Carbon Nanotubes} Field emission type light system using carbon nanotubes {Field Emission Type Light System using Carbon Nanotubes}

제 1도는 본 발명의 제조공정를 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the present invention.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ** ** Description of symbols for the main parts of the drawing **

1 : 금속선(wire) 2 : 미세금속입자 1: metal wire 2: fine metal particles

3 : 탄소나노튜브 4 : 원통형 기판
3: carbon nanotube 4: cylindrical substrate

본 발명은 가정용 및 광고용에 적합한 조명장치 및 그 제조방법에 관한 것으로 발광효율을 극대화하여 전기에너지를 절약할수 있는 조명장치를 제조하고자 한다. The present invention relates to a lighting device suitable for home and commercial use and a method of manufacturing the same to maximize the luminous efficiency to manufacture a lighting device that can save electrical energy.

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. 그리고 에너지 효율 측면에서 30-40% 수준으로 백열전등에 비해서는 다소 높은 수준이나 개선의 여지가 많다. 뿐만아니라 내구성 측면에서 2000 내지 3000시간 정도의 낮은 수준이다. A conventional lighting device such as a fluorescent lamp generates a mercury arc discharge in a glass tube coated with a phosphor containing mercury and an inert gas, and converts ultraviolet rays into visible light to generate light. As such, lighting apparatuses such as fluorescent lamps generally have a long glass tube shape, and therefore have a limited form such as a straight line and a circular shape. In terms of energy efficiency, it is 30-40% higher than incandescent lamps, but there is much room for improvement. In addition, it is a low level of 2000 to 3000 hours in terms of durability.

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. On the other hand, recently, a flat lighting device having a high energy efficiency and a thickness of several mm has been developed by using an organic light emitting device EL. However, since the organic material is used, durability is low, and illumination cannot be achieved with sufficient illumination.

본 발명에서는 기존 조명장치보다 우수한 조도를 발휘하면서 에너지효율이 높고, 내구성을 보유한 조명장치를 제공하고자 한다.
The present invention is to provide an illumination device having high energy efficiency and durability while exhibiting better illuminance than existing lighting devices.

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. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, an indium tin oxide (ITO) layer is applied to the inside of the cylindrical substrate 4 used as an anode, a phosphor layer is coated on the ITO layer, The metal wire (1) used as the cathode arranges the carbon nanotubes close to the vertical by using electrophoresis, eliminates the risk of outgassing by eliminating the use of organic substances, and removes the metal between the carbon nanotubes and the metal wires. After the strong contact with the fine metal particles (2) by using plating to minimize the contact resistance, the field emission-type lighting device was completed by the vacuum between the cylindrical substrate 4 and the metal wire (1).

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전계방출소자는 탄소나노튜브를 전기영 동법으로 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. In order to achieve the above object, the field emission device of the present invention arranges the carbon nanotubes on the metal wire 1 by electrophoresis and then increases the bonding force between the carbon nanotubes and the metal wires by metal plating. The carbon nanotubes used were oxidatively cut. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

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.The metal wire 1 is one selected from metals having excellent electrical conductivity such as Cu, Al, Pt, Ag, Cr, Au, and is provided with carbon nanotubes 3 which are substantially used as electron emission sources on the metal wires. The carbon nanotubes are manufactured by arc discharge, oxidized in an oxidizing agent mixed with nitric acid and sulfuric acid for 8 hours or more, and have a diameter (d) of 1 to 100 nm, a length (L) of 0.01 to 20 μm, and a length (L). After the ratio L / d, which is a ratio between the diameter and the diameter d, is 5 to 20000, the carbon nanotube layer 3 is formed by electrophoresis to have a layer thickness of 0.01 to 10 μm by electrophoresis. More preferably, when the diameter (d) of the carbon nanotubes is 10 to 50nm, the length (L) is 0.1 to 5㎛, L / d is a ratio of the length (L) and diameter (d) is 2 to 500 The electron emission ability was more excellent.

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. In order to improve the adhesion between the electrode substrate and the carbon nanotubes on the carbon nanotube layer (3) by using a metal selected from Ag, Cu, Ni, Zn, Au, Co, Al by 2 ~ 8 After plating for 1 to 60 seconds in the bolt, electroplating for 1 to 5 minutes with additional 0.5 to 3 volts to fill the empty space between the carbon nanotubes with fine metal particles (2) having a particle size of 0.001 to 0.5㎛. It was. If the adhesion between the metal wire and the carbon nanotubes is poor, it may not be able to exert a sufficient lifetime as an electron emission source due to overload during electron emission.

금속선(1) 위에 설치된 전자방출에 유효한 나노튜브의 밀도는 10³내지 10¹⁰ 개/㎟일 경우 충분한 발광효과를 발휘할 수 있었으며, 좋게는 10³내지 10⁷ 개/㎟일때 더욱 양호한 발광특성을 나타내었다. 나노튜브의 밀도는 10³ 개/㎟ 미만일 경우는 충분한 발광을 나타내지 못해 조명으로써 사용할수 없었으며, 10¹⁰ 개/㎟를 초과해서는 실질적으로 제조할수 없었다.The density of the nanotubes effective for electron emission provided on the metal wire 1 was sufficient to exhibit sufficient luminescent effect at 10 ³ to 10 ¹⁰ / mm2, and more preferably at 10 ³ to 10 ⁷ / mm2. It was. When the density of the nanotube was less than 10 ³ / mm 2, it could not be used as illumination because it did not show sufficient light emission, and it could not be practically produced when the density of the nanotube was more than 10 ¹⁰ / m 2.

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. The present invention is extremely stable thermally and chemically, and can solve the problem of the field emission device using the conventional carbon nanotubes, the contact resistance increase due to poor adhesion between the carbon nanotubes and the metal wire, the outgassing by the organic binder, etc. The electron emission source can be fabricated, and in particular, when the metal line in which carbon nanotubes are arranged is used as an electron emitter device for a lighting device, high brightness, low power consumption, and long life can be achieved.

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.An indium tin oxide (ITO) layer is applied inside the cylindrical substrate 4 used as the anode, a phosphor layer is applied on the ITO layer, and carbon treated with a charge on the wire 1 used as the cathode. The carbon nanotube layer 3 is formed to have a layer thickness of 0.01 to 10 μm by electrophoresis, and the fine metal particles produced by the electroplating method to improve adhesion between the metal wire and the carbon nanotubes ( 2) The field emission type lighting device, characterized in that the empty space between the carbon nanotubes is filled, the vacuum between the cylindrical substrate and the metal wire.

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.The method of claim 1, wherein the carbon nanotubes are single-wall nanotubes or multi-wall nanotubes, have a diameter d of 1 to 100 nm, a length L of 0.01 to 20 m, A field emission-type lighting apparatus, wherein nanotubes having a ratio L / d of 5 to 20000, which is a ratio of the length L of the nanotubes to the diameter d, are installed at a density of 10 ³ to 10 ¹⁰ / mm2.

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 사 이사이의 빈공간이 채워져 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 조명장치. The method of claim 1, wherein the fine metal particle layer (2) for improving the adhesion between the metal wire (1) and the carbon nanotubes (3) using a metal selected from Ag, Cu, Ni, Zn, Au, Co, Al After plating for 2 to 8 volts for 2 to 8 volts by electroplating method, electroplating for 1 to 5 minutes with additional 0.5 to 3 volts to produce particles with a size of 0.001 to 0.5㎛, which is a void of carbon nanotubes. Field emission-type lighting device, characterized in that the filling.

1항에 있어서, 금속선(1)은 Cu, Al, Pt, Ag, Cr, Au와 같은 전기전도성이 우수한 금속중에서 선택된 1종으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 조명장치. The field emission type lighting apparatus according to claim 1, wherein the metal wire (1) is one selected from metals having excellent electrical conductivity such as Cu, Al, Pt, Ag, Cr, Au.