KR20010039636A - 탄소나노튜브를 이용한 백색 광원 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

탄소나노튜브(carbon nano tube)를 이용한 백색 광원 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 일 관점은, 하부 기판 상에 형성되어 캐소드(cathode)로 이용되는 금속막과, 금속막 상에 형성된 촉매금속막과, 촉매금속막 상에 수직 배향된 전계 전자 방출용 탄소나노튜브와, 촉매금속막 상에 설치된 스페이서(spacer), 및 스페이서 상에 탄소나노튜브에 대향하게 형광체가 부착되는 애노드(anode)용 투명 전극이 부착된 투명한 상부 기판을 포함하는 백색 광원을 제공한다. 여기서, 촉매금속막은 나노 크기의 상호 분리된 촉매금속 입자들로 이루어지며, 탄소나노튜브는 촉매금속 입자들 각각에서 화학기상증착으로 기판에 수직 배향으로 성장된 것이다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 백색 광원 및 그 제조 방법{Apparatus of white light source using carbon nanotubes and fabrication Method thereof}

본 발명은 백색 광원에 관한 것으로, 특히, 발광 효율이 뛰어난 백색 광원 제조 방법에 관한 것이다.

백색 광원으로는 형광 램프를 들 수 있으며, 이러한 형광 램프는 방전 효과에 의한 형광체의 발광을 이용하고 있다. 이와 같은 형광 램프는 발광 효율이 낮고 휘도가 낮은 문제점을 가지고 있다. 또한, 형광 램프는 소형화하기 어렵고 동작 전압을 낮게 채용하기가 어려운 문제가 있다. 더하여, 형광 램프는 사용 시간이 경과됨에 따라 발광 특성이 열화되어, 안정성과 신뢰성이 나빠지고 아울러 수명이 짧은 단점을 가지고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전계 전자 방출 효율이 우수하여 낮은 인가 전압에도 큰 방출 전류를 얻을 수 있고, 단위 면적당 매우 높은 팁(tip) 밀도를 가져 발광 효율이 뛰어난 백색 광원 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 백색 광원을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 백색 광원을 제조하는 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.

도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브의 성장에 사용되는 열 화학기상증착 장치를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 7 내지 도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브의 성장을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 백색 광원을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 12 내지 도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 백색 광원을 제조하는 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.

＜도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명＞

100; 하부 기판, 150; 반응 방지막,

200; 금속막, 300; 촉매금속막,

300'; 촉매금속 입자, 350; 절연막 패턴,

400; 탄소나노튜브, 500; 스페이서,

600; 투명 상부 기판, 700; 투명 전극,

800; 형광체.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 하부 기판 상에 형성되어 캐소드로 이용되는 금속막과, 상기 금속막 상에 형성된 촉매금속막과, 상기 촉매금속막 상에 수직 배향된 전계 전자 방출용 탄소나노튜브와, 상기 촉매금속막 상에 설치된 스페이서, 및 상기 스페이서 상에 상기 탄소나노튜브에 대향하게 형광체가 부착되는 애노드용 투명 전극이 부착된 투명한 상부 기판을 포함하는 백색 광원을 제공한다.

상기 촉매금속막은 나노 크기의 상호 분리된 촉매금속 입자들로 이루어질 수 있으며, 상기 탄소나노튜브는 상기 촉매금속 입자들 각각에서 화학기상증착으로 수직 성장된 것일 수 있다. 이때, 상기 촉매금속은 코발트, 니켈, 철, 이트륨 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 상기 형광체는 (3Ca₃(PO₄)₂CaFCl/Sb,Mn)의 단파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질 또는 Y₂O₃:Eu, CeMaA₁₁O₁₉:Tb 및 BaMg₂Al₁₆O₇:Eu의 삼파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 촉매금속막을 선택적으로 노출하는 오프닝을 가지는 절연막 패턴을 더 포함하고, 상기 탄소나노튜브는 상기 촉매금속막의 상기 오프닝에 의해서 노출되는 부분 상에 선택적으로 위치하고, 상기 스페이서는 상기 절연막 패턴 상에 설치될 수 있다.

상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 하부 기판 상에 캐소드로 이용되는 금속막을 형성하고, 상기 금속막 상에 촉매금속막을 형성한다. 상기 촉매금속막 상에 전계 전자 방출용 탄소나노튜브를 수직 배향되게 성장시킨다. 상기 촉매금속막 상에 스페이서를 설치한다. 상기 스페이서 상에 상기 탄소나노튜브에 대향하게 형광체가 부착되는 투명 전극이 형성된 투명한 상부 기판을 올려놓고 실장한다.

상기 금속막을 형성하는 단계 이전에 절연 물질로 상기 하부 기판과 상기 금속막과의 반응을 방지하는 반응 방지막을 형성시킬 수 있다. 상기 촉매금속막은 상기 촉매금속막을 증착한 후, 상기 증착된 촉매금속막을 식각하여 나노 크기의 촉매금속 입자들로 분리하여 이루어진다. 상기 탄소나노튜브는 화학기상증착으로 상기 촉매금속 입자 각각에서 기판에 수직 배향으로 성장된다.

상기 촉매금속은 코발트, 니켈, 철, 이트륨 또는 이들의 합금을 이용할 수 있다. 상기 촉매금속막 상에 상기 촉매금속막을 선택적으로 노출하는 오프닝을 가지는 절연막 패턴을 더 형성할 수 있고, 상기 탄소나노튜브는 상기 촉매금속막의 상기 오프닝에 의해서 노출되는 부분 상에 선택적으로 위치하고, 상기 스페이서는 상기 절연막 패턴 상에 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 극소형화가 가능해 휴대할 수 있고, 고효율 및 절전 효과를 가지는 백색 광원을 제공할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 상기 어떤 막은 상기 다른 막 또는 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제3의 막이 개재되어질 수 있다.

본 발명은, 탄소나노튜브를 이용한 백색 광원 및 이를 제조하는 방법을 제공한다. 탄소나노튜브는, 미시적으로 하나의 탄소 원소에 이웃하는 세 개의 탄소 원자가 결합되어 있으며, 이러한 탄소 원자간의 결합에 의해서 육각 환형이 이루어지고, 이러한 육각 환형이 벌집 형태로 반복된 평면이 말려 원통형을 이룬 형태를 가진다고 알려져 있다. 상기한 원통형 구조는 그 직경이 일반적으로 수 ㎚ 내지 수십 ㎚이며, 그 길이는 직경에 수십 배 내지 수천 배 이상으로 긴 특성을 가진다고 알려져 있다.

따라서, 탄소나노튜브의 팁부는 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 정도의 직경을 가지게 되어, 매우 높은 전계 전자 방출 효율을 구현할 수 있다. 그러므로, 낮은 인가 전압으로도 큰 방출 전류를 얻을 수 있다. 또한, 단위 면적당 매우 높은 밀도로 상기한 탄소나노튜브들을 성장시킬 수 있어, 매우 높은 팁(tip) 밀도를 나타내게 하여 우수한 발광 효율을 얻을 수 있다.

이하, 도면들 및 이를 인용하는 본 발명의 실시예들을 통해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 백색 광원을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도이다.

구체적으로, 본 발명의 제1실시예를 따르는 백색 광원은, 하부 기판(100) 상에 캐소드(cathode)로 이용되는 금속막(200)을 구비하고, 상기 금속막(200) 상에 촉매금속막(300)을 구비한다.

하부 기판(100)은 실리콘(Si), 알루미나(Al₂O₃), 석영 또는 유리로 이루어질 수 있으나, 제조될 백색 광원을 완성하는 실장 공정에 적합하게 상기 하부 기판(100)은 유리로 이루어지는 것이 바람직하다. 금속막(200)은 도전 물질, 예컨대, 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 질화 티타늄(TiN), 텅스텐(W) 또는 알루미늄(Al) 등으로 이루어질 수 있다.

촉매금속막(300)은, 그 상에 수직 배향(vertically aligned)되는 탄소나노튜브(400)를 형성할 때 촉매로 이용된다. 촉매금속막(300)은 탄소나노튜브(400)를 합성 및 성장시킬 수 있는 촉매 역할을 하는 금속 물질로 형성된다. 예컨대, 촉매금속막(300)은 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe), 이트륨(Y) 또는 이들의 합금(예컨대, 코발트-니켈, 코발트-철, 코발트-이트륨, 니켈-철, 코발트-철 또는 코발트-니켈-이트륨)으로 이루질 수 있다.

촉매금속막(300) 상에는 수직 배향 성장된 탄소나노튜브(400)가 구비된다. 탄소나노튜브(400)는 상기 촉매금속막(300) 상에 제공되는 탄소 소오스(carbon source)로부터 화학기상증착법으로 수직 성장될 수 있다. 이러한 화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브(400)의 성장은 이후에 제시되는 도 6 내지 도 10을 인용하는 기재에서 상세하게 설명한다.

탄소나노튜브(400)는 전계 전자 방출 작용을 수행하도록 구비된다. 따라서, 탄소나노튜브(400)의 팁(tip) 부분에 대향되게 탄소나노튜브(400)로부터 이격된 위치에 형광체(800)가 도입된다. 형광체(800)의 배후에는 투명 전극(700)이 구비되고, 이러한 투명 전극(700)이 부착된 상부 기판(600)이 스페이서(spacer;500)에 올려져 하부 기판(100)과 함께 진공 밀봉되어 실장된다.

투명 전극(700)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 도전 물질로 형성될 수 있다. 형광체(800)는 백색 발광을 일으키는 형광 물질, 예컨대, (3Ca₃(PO₄)₂CaFCl/Sb,Mn) 등과 같이 단파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질로 이루어지거나, Y₂O₃:Eu, CeMaA₁₁O₁₉:Tb 및 BaMg₂Al₁₆O₇:Eu 등과 같이 삼파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질로 이루어질 수 있다. 상부 기판(800)은 형광체(800)에서 발광되는 빛을 외부로 방출하기 위해서 투명한 물질, 예컨대, 유리로 이루어진다.

이와 같이 구성되는 백색 광원은, 캐소드로 이용되는 금속막(200)과 애노드(anode)로 이용되는 투명 전극(700) 사이에 전계가 도입될 때, 탄소나노튜브(400)의 팁 부위로부터 투명 전극(700) 방향으로 전계 집중에 의해서 전자가 방출된다. 탄소나노튜브(400)의 팁 부위는, 탄소나노튜브(400)의 길이에 비해 매우 작은 직경, 예컨대, 수 ㎚에서 수십 ㎚의 직경을 가지므로, 이러한 팁 부위에서 전계 전자 방출이 매우 효율적으로 발생할 수 있다.

따라서, 금속막(200)과 투명 전극(700) 간에 도입되는 전계를 낮출 수 있다. 즉, 금속막(200) 또는 투명 전극(700)에 낮은 전압을 인가하더라도, 탄소나노튜브(500)의 팁 부위에서는 매우 높은 전계 집중이 발생될 수 있어, 전자 방출이 매우 효율적으로 일어날 수 있다. 또한, 탄소나노튜브(400)는 단위 면적당 매우 높은 밀도로 성장될 수 있어, 이러한 고밀도로 배향된 탄소나노튜브(400)들로부터 방출된 전자의 밀도는 매우 높게 되어, 이에 따른 방출 전류는 매우 높게 된다.

이와 같이 방출된 전자는 형광체(800)에 입사하여 형광체(800)를 발광시키고, 이러한 발광된 빛은 투명한 기판(600)을 통해서 외부로 방출된다. 이때, 상술한 바와 같이 전자 방출의 효율이 높고 방출된 전자에 의한 방출 전류 또한 높으므로, 형광체(800)에 입사되는 전자 밀도는 매우 높게 된다. 따라서, 형광체(800)에 의해서 발생된 빛의 휘도 또한 매우 높게 된다.

이러한 본 발명의 제1실시예에 의한 백색 광원은 실질적으로 매우 간단하고 소형화되어 있으나, 상기한 바와 같이 매우 높은 휘도의 단색광을 발광시킬 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이 전계 전자 방출 효율이 높아 매우 작은 전압 또는 매우 낮은 전류에서도 작동할 수 있다. 따라서, 이러한 백색 광원은 일반적인 조명 장치로 사용할 수 있으며, 극소형화할 경우, 휴대용 조명 장치로도 사용할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 백색 광원을 제조하는 방법의 실시예를 제시되는 도 2 내지 도 5를 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 하부 기판(100) 상에 금속막(200) 및 촉매금속막(300)을 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸다.

구체적으로, 대량 생산을 위해서, 대면적의 하부 기판(100) 상에 캐소드로 이용되는 금속막(200)을 얇게 형성한다. 하부 기판(100)은, 앞서 기재한 바와 같이, 여러 물질로 형성될 수 있으나 유리로 이루어지는 것이 바람직하다. 금속막(200)은 다양한 도전 물질, 예컨대, 크롬, 티타늄, 질화 티타늄, 텅스텐 또는 알루미늄을 대략 0.3㎛ 내지 0.5㎛ 정도의 두께로 증착하여 형성된다. 이러한 증착은 열증착법(thermal deposition)이나 스퍼터링법(sputtering) 등과 같은 박막 형성 방법을 이용한다.

금속막(200) 상에 탄소나노튜브(400)를 성장시킬 때 촉매로써 작용할 수 있는 촉매금속막(300)을 형성한다. 촉매금속막(300)은 대략 수 ㎚ 내지 수백 ㎚의 두께, 바람직하게는 대략 2㎚ 내지 200㎚ 정도의 두께로 증착되며, 열증착법이나 스퍼터링법 등과 같은 박막 형성 방법을 이용하여 증착될 수 있다.

도 3은 촉매금속막(300) 상에 탄소나노튜브(400)를 성장시키는 단계를 개략적으로 나타낸다.

구체적으로, 촉매금속막(300)에 상호 이격되어 있으며 수직 방향으로 배향된 탄소나노튜브(400)들을 다수 성장시키기 위해서, 촉매금속막(300)이 탄소나노튜브(400)들을 성장시키는 촉매로서의 역할을 수행할 수 있도록 처리한다. 예를 들어, 촉매금속막(300)의 표면을 입계 식각(grain boundary etching)하여, 상기 촉매금속막(300)을 미세한 고립된 촉매금속 입자(isolated catalytic metal particle)들로 분리시킨다. 이러한 촉매금속 입자들이 형성됨에 따라, 이러한 촉매금속 입자들 간에는 하부의 금속막(200)의 표면이 노출된다. 이에 따라, 촉매금속막(300)은 상호 독립적인 고립되어 분포된 촉매금속 입자들로 이루어지게 된다.

이후에, 촉매금속막(300) 상에 탄소 소오스를 제공하여 각각의 촉매금속 입자들로부터 탄소나노튜브(400)를 성장시킨다. 촉매금속 입자들은 상기한 입계 식각에 의해서 형성되므로, 초기의 촉매금속막(300)의 두께 및 입계 식각 속도 등에 의해서 그 크기가 조절될 수 있다. 따라서, 촉매금속 입자들에 각각 성장되는 탄소나노튜브(400)들의 직경 또한, 촉매금속 입자들의 크기를 조절함으로써 조절될 수 있다. 또한, 입계 식각에 의해서 형성되는 촉매금속 입자들은 매우 균일하게 배열되므로, 성장되는 탄소나노튜브(400)는 상호간에 정렬된 형태를 가지게 된다.

이때, 탄소나노튜브(400)의 성장은 열 또는 플라즈마에 의한 화학기상증착법(thermal or plasma chemical vapour deposition)을 이용하여 수행될 수 있다. 이러한 화학기상증착에 의한 탄소나노튜브(400)들의 성장은 이후에 제시되는 도 6 내지 도 10을 참조한 실시예를 통해서 보다 상세하게 설명한다.

도 4는 촉매금속막(300) 상에 스페이서(500)를 설치하는 단계를 개략적으로 나타낸다.

구체적으로, 촉매금속막(300) 상에 대략 100㎛ 내지 700㎛ 정도의 길이를 가지는 스페이서(500)를 다수 설치한다. 스페이서(500)는 후속에 설치되는 형광체(도 1의 800)와 탄소나노튜브(400)의 팁 부위를 일정 거리 이격시키는 역할을 한다.

도 5는 별도의 투명한 상부 기판(600) 상에 투명 전극(700) 및 형광체(800)를 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸다.

구체적으로, 별도의 투명한 상부 기판(600), 예컨대, 유리 기판 상에 애노드로 이용되는 투명 전극(700)을 부착한다. 이러한 투명 전극(700)은 ITO와 같은 투명한 도전 물질로 형성된다. 이후에, 상기 투명 전극(700) 상에 형광체(800)를 부착한다. 형광체(800)는 백색 발광을 일으키는 형광 물질, 예컨대, (3Ca₃(PO₄)₂CaFCl/Sb,Mn) 등과 같이 단파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질로 이루어지거나, Y₂O₃:Eu, CeMaA₁₁O₁₉:Tb 및 BaMg₂Al₁₆O₇:Eu 등과 같이 삼파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질로 이루어질 수 있다.

이와 같이 형광체(800) 및 투명 전극(700)이 구비된 상부 기판(600)을, 형광체(800)의 표면이 탄소나노튜브(400)의 팁 부위에 대향되도록 스페이서(500)에 올려놓는다. 이후에, 투명한 상부 기판(600)과 하부 기판(100)을 진공으로 밀봉하며 실장한다.

이와 같이 제조된 백색 광원의 탄소나노튜브(400)는 팁 부위의 직경이 실질적으로 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 정도로 작아, 매우 낮은 인가 전압에서도 매우 높은 효율로 전계 전자 방출을 구현할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 백색 광원을 제조하는 방법에서의 탄소나노튜브(400) 성장 방법을 이하의 도 6 내지 도 10을 참조한 실시예를 통해서 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브(400)의 성장에 사용된 열 화학기상증착 장치를 개략적으로 나타내고, 도 7 내지 도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브의 성장을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.

개략적으로, 도 3에 도시된 수직 배향 성장된 탄소 나노튜브(400)를, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 도 6에 도시된 바와 같은 열 화학기상증착 장치를 이용하여 성장시킬 수 있다. 이하, 이러한 탄소나노튜브(400)들의 수직 배향 성장을 열 화학기상증착을 이용한 경우를 예로 들어 설명하지만, 플라즈마를 이용한 화학기상증착을 이용하여도 상기한 탄소나노튜브(400)를 수직 배향 성장시킬 수 있다.

도 7을 참조하면, 대면적의 하부 기판(도 3의 100) 상에, 앞서 기재한 바와 같이, 금속막(200) 및 촉매금속막(300)을 형성한다. 이때, 촉매금속막(300)은 수 nm 내지 수백 nm 두께로, 바람직하기로는 2nm 내지 200nm 두께로 형성한다.

도 6에 도시된 바와 같은 열 화학기상증착 장치의 반응로(6100)에, 이와 같이 촉매금속막(300)이 형성된 기판(6300)을 석영 보트(boat;6400)에 장착하여 인입시킨다. 이때, 기판(6300)에 탄소나노튜브(400)가 형성될 면(6350)을 가스 공급 방향에 반대되는 방향으로, 면(6350)이 아래쪽을 향하도록 기판(6300)을 석영 보트(6400)에 장착한다. 이는 탄소나노튜브(400)가 성장될 면(6350)에 불순물 또는 잔류물이 흡착되는 것을 방지하고, 상기 면(6350)에 공급되는 반응 가스의 흐름을 균일하게 유지하기 위해서이다.

이때, 반응로(6100) 내의 압력은 대기압 또는 수 백 mTorr ∼ 수 Torr 정도로 유지한다. 그리고, 반응로(6100)의 온도를 저항 코일(6200) 등과 같은 가열 수단을 이용하여 올린 후, 반응로(6100) 내에 암모니아(NH₃) 가스 등과 같이 촉매금속막(300)의 입계 식각이 가능한 식각 가스를 반응로(6100)에 공급한다. 식각 가스는 촉매금속막(300)의 입계를 따라 촉매금속막(300)을 식각하는 역할을 하므로, 이러한 식각 가스에 반응성을 부여하는 단계가 필요하다. 이를 위해서 상기한 암모니아 가스는 반응로(6100)의 석영 보트(6400)에 장착된 기판(6300) 위치에 도달하기 이전에 분해되어 반응성이 부여되는 것이 바람직하다.

이러한 암모니아 가스의 분해는 도 6에 도시된 바와 같은 열 화학기상증착 장치의 경우 열적 분해(pyrolysis)에 의해서 수행된다. 따라서, 상기한 반응로(6100)의 온도는 적어도 제공되는 암모니아 가스가 열분해될 정도의 온도, 예컨대, 적어도 700℃ 이상으로 유지되는 것이 바람직하다. 바람직하게는 대략 700℃ 내지 1000℃ 정도의 온도로 유지되는 것이 바람직하다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 반응성이 부여된 분해된 암모니아 가스(7100)는 촉매금속막(300)의 표면 입계를 식각한다. 이와 같은 입계 식각은 촉매금속막(300) 하부의 금속막(200)이 노출될 때까지 수행되는 것이 바람직하며, 이에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이, 나노 크기(본 명세서 내에서 나노 크기는 수 nm 에서 수백 nm의 크기를 지칭한다)의 상호 독립적으로 분리된 촉매금속 입자들(300')이 형성된다. 이러한 촉매금속 입자들(300')의 크기는 초기 촉매금속막(300)의 두께 및 상기한 입계 식각에서의 암모니아 가스 공급량, 식각 공정 수행 시 온도 또는 식각 공정에 소요되는 시간 등을 조절함으로써 조절될 수 있다.

서로 독립적으로 분리된 나노 크기의 촉매금속 입자들(300')은 입계를 따라 이루어진 식각에 의해서 형성되므로 균일한 밀도로 하부의 금속막(200) 상에 미세하게 분포될 수 있다. 식각 조건에 따라 분리된 나노 크기의 촉매금속 입자들(300')의 크기와 형태가 달라지나, 본 발명의 실시예에서 촉매금속 입자(300')는 대략 20㎚ 내지 60㎚ 정도의 크기로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 바와 같은 촉매금속막(300)의 입계 식각이 상기한 바와 같이 대략 700℃ 내지 1000℃ 정도의 온도에서 수행되면, 하부 기판(도 3의 100)이 유리로 이루어질 경우 하부 기판(300)의 변형이 발생될 수 있다. 이와 같은 변형을 방지하기 위해서, 전단계로 암모니아 가스를 대략 700℃ 내지 1000℃에서 분해한 후 분해된 암모니아 가스(7100)를 상기한 반응로(6100)에 공급할 수 있다. 이때, 반응로(6100)의 온도는, 탄소나노튜브(400)들이 성장될 수 있는 온도 보다 높고, 유리의 변형이 일어나는 온도 보다 낮은 온도, 예컨대, 대략 450℃ 내지 650℃ 정도로 유지되는 것이 바람직하다.

또는, 암모니아 가스를 반응로(6100)에 직접 공급할 경우, 반응로(6100) 내에 두 개의 온도 존(zone)을 설정함으로써, 상기한 하부 기판(100)의 유리의 변형을 방지할 수 있다. 예를 들어, 암모니아 가스가 공급되는 입구 부분에 대략 7000℃ 내지 1000℃ 정도의 온도로 유지되는 제1온도 존을 설정하고, 실질적으로 석영 보트(6400)가 장착되는 부분에는 대략 450℃ 내지 650℃ 정도로 유지되는 제2온도 존을 설정한다. 반응로(6100) 내에 공급되는 암모니아 가스는 제1온도 존을 통과하며 분해되어, 제2온도 존에 위치하는 촉매금속막(300)에는 실질적으로 분해된 암모니아 가스(7100)가 도달할 수 있다.

한편, 상기한 기재는 암모니아 가스를 입계 식각 가스로 사용한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이러한, 암모니아 가스 외에도 수소 가스 또는 수소화물 가스를 사용할 수 있다. 그러나, 암모니아 가스를 식각 가스로 사용하는 경우가 바람직하며, 이때, 대략 80sccm(standard cubic centimeter per minute)의 흐름량을 대략 10분 내지 30분 정도 반응로(6100)에 공급한다.

도 8을 참조하면, 촉매금속 입자(300')들이 형성되면 분해된 암모니아 가스(7100)의 공급을 중단하고, 탄소 소오스(8100)를 반응로(6100) 내로 공급하여, 촉매금속 입자(300') 상에 공급한다. 공급되는 탄소 소오스(8100)로는 탄소 다이머(carbon dimer)를 제공할 수 있는 탄화 수소 가스를 들 수 있다. 탄화 수소 가스로는 대략 탄소의 개수가 20개 이하인 탄화 수소 가스, 예컨대, 아세틸렌 가스, 에틸렌 가스, 프로필렌 가스, 프로판 가스 또는 메탄 가스를 예로 들 수 있다.

공급되는 탄소 소오스와 더불어 수소 또는 아르곤 가스와 같은 불활성 가스의 캐리어 가스(carrier gas)를 함께 반응로(6100) 내에 공급할 수 있다. 또한, 수소화물 가스 등을 희석 가스로 상기 탄소 소오스와 더불어 반응로(6100) 내에 공급할 수 있다. 또한, 적절한 비율의 식각 가스, 예컨대, 암모니아 가스 또는 수소 가스, 수소화물 가스를 상기한 탄소 소오스 가스와 함께 공급하여, 탄소나노튜브(400)의 합성 반응을 제어할 수 있다.

한편, 반응로(6100) 내의 온도는 탄소 소오스가 열적으로 분해될 수 있는 온도, 대략 450℃ 내지 1000℃로 유지되는 것이 바람직하다. 앞서 설명한 바와 같이 하부 기판(300)이 유리로 이루어질 경우, 변형을 막기 위해서 대략 450℃ 내지 650℃ 정도의 온도로 석영 보트(6400)가 위치하는 존의 온도를 유지한다. 이때, 탄소 소오스, 예컨대, 아세틸렌 가스는 20 sccm 내지 200sccm의 유량으로 10 내지 60분 동안 공급할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같은 열 화학기상증착 장치의 반응로(6100)내로 공급된 탄소 소오스는, 열분해되어 탄소 유니트(units)(예컨대; C₂H₂)를 형성한다. 열분해되어 형성된 탄소 유니트는 도 9에 도시되어 있는 바와 같이 분리된 나노 크기의 촉매금속 입자(300')의 표면에 접촉하여 표면 및 촉매금속 입자(300') 내로 확산된다. 이때, 촉매금속 입자(300')의 표면에 탄소 유니트가 접촉하면, 탄소 유니트는 탄소 다이머(C₂)로 전환되고 수소 가스(H₂)를 발생시킨다.

촉매금속 입자(300') 표면의 탄소 다이머는 표면 또는 내부로 확산한다. 촉매금속 입자(300')가 탄소 다이머로 과포화되면, 이러한 탄소 다이머는 상호 반응하여 평면 상에서 볼 때 육각 환형의 벌집 구조가 반복된 구조를 이룬다. 이후, 촉매금속 입자(300')로 탄소 다이머의 공급이 계속되면, 촉매금속 입자(300')의 가장 자리 부위로부터 상기 벌집 구조의 월(wall)이 성장한다. 이러한 성장이 계속 진행되어 촉매금속 입자(300')로부터 탄소나노튜브(400)가 성장된다. 실질적으로 탄소 다이머의 공급이 촉매금속 입자(300')의 가장 자리 부위에서 계속되므로, 탄소나노튜브(400)는 계속 성장된다. 이때, 촉매금속 입자(300')의 밀도가 충분히 높을 경우, 분포된 다수의 촉매금속 입자(300')들에서 성장되는 탄소나노튜브(400)들은 서로 밀어내는 효과에 의해서 수직 방향으로 배향되게 성장된다.

한편, 이러한 탄소나노튜브(400)의 성장이 계속되면, 도 10에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브(400)들이 대나무(bamboo) 구조로 성장될 수 있다.

탄소나노튜브(400)의 성장에 적합한 촉매금속 입자(300')들이 주변의 다른 촉매금속 입자(300')들과 덩어리(agglomeration)지지 않고 분리되어 독립적으로 형성되기 때문에, 형성되는 탄소 나노튜브(400) 또한 독립적으로 서로 덩어리지지 않는다. 즉, 탄소나노튜브(400) 형성시 비정질 상태의 탄소 덩어리들이 형성되지 않는다. 따라서 고순도의 탄소나노튜브(400)를 형성할 수 있으며 탄소나노튜브(400)가 하부 기판(100)에 수직으로 정렬되도록 할 수 있다. 그리고 탄소 소오스의 공급 조건, 예컨대 가스 유량, 반응 온도 및 반응 시간을 변경시킴으로써 탄소나노튜브(400)의 길이 또한 용이하게 조절할 수 있다.

본 실시예에서는 고립된 나노 크기의 촉매금속 입자를 도 6의 열 화학기상증착장치를 이용한 건식 식각법으로 식각하여 형성하였으나, 습식 식각법으로 형성할 수 있다. 즉, 촉매금속막이 형성된 기판을 습식 식각액, 예컨대 물에 희석시킨 불화수소(HF) 용액에 담가 분리된 나노 크기의 촉매금속 입자들을 형성할 수도 있다. 습식 식각법을 사용할 경우에도 저온에서 실시할 수 있다는 장점이 있다.

그리고, 본 실시예에서는 상기 촉매금속 입자들 및 탄소나노튜브 성장 시 수평형 열 화학기상증착 장치를 예로 들어 설명하였으나, 수직형, 인-라인형(in-line) 또는 컨베이어(conveyer)형 열화학기상증착 장치 등도 사용될 수 있음은 물론이다. 또한, 플라즈마 화학기상증착 장치도 사용될 수 있다. 플라즈마 화학기상증착 장치를 사용할 경우 저온에서 실시할 수 있으며, 반응 조절이 용이하다는 장점이 있다.

도 11은 본 발명의 제2실시예에 의한 백색 광원을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도이다.

본 발명의 제2실시예에서 제1실시예에서와 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 의미한다.

구체적으로, 구체적으로, 본 발명의 제2실시예를 따르는 백색 광원은, 하부 기판(100) 상에 캐소드(cathode)로 이용되는 금속막(200)을 구비하고, 상기 금속막(200) 상에 촉매금속막(300)을 구비한다. 금속막(200)과 하부 기판(100) 간의 계면에는 실리콘 산화물 또는 알루미나 등과 같은 절연 물질로 이루어지는 반응 방지막(150)이 더 도입될 수 있다. 이때, 반응 방지막(150)은 하부 기판(100)과 금속막(200) 간의 반응을 방지하는 역할을 하며, 실리콘 산화물 등과 같은 절연 물질로 대략 0.3㎛ 내지 0.5㎛ 정도의 두께로 형성된다.

금속막(200) 상에는 촉매금속막(300)이 구비되고, 촉매금속막(300) 상에는 촉매금속막(300)의 표면을 선택적으로 노출하는 홀(hole)과 같은 오프닝(opening)을 가지는 절연막 패턴(350)이 도입된다. 절연막 패턴(350)은 대략 1.0㎛ 내지 3.0㎛ 정도의 두께로 형성된다. 이와 같은 절연막 패턴(350)은 탄소나노튜브(400)가 성장될 위치를 선택적으로 선정해주는 역할을 한다.

오프닝에 의해서 노출된 촉매금속막(300) 상에는 화학기상증착법 등에 의해서 수직 배향 성장된 탄소나노튜브(400)가 구비된다. 탄소나노튜브(400)는 전계 전자 방출 작용을 위해서 구비된다. 탄소나노튜브(400)의 팁 부분에 대향되게 형광체(800)가 도입된다. 형광체(800)의 배후에는 투명 전극(700)이 구비되고, 이러한 투명 전극(700)이 부착된 투명한 상부 기판(600)이 스페이서(500)에 올려져 하부 기판(100)과 함께 진공 밀봉되어 실장된다. 이때, 스페이서(500)는 절연막 패턴(350) 상에 올려지며, 이에 따라, 형광체(800), 또한,이러한 스페이서(500)가 지지할 위치의 투명 전극(700) 부분을 노출하도록 패터닝되어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 탄소나노튜브(400)들을 그룹(group)지어, 탄소나노튜브(500)의 그룹 별로 하나의 셀(cell)이 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제2실시예에 따른 백색 광원을 제조하는 방법을 제시되는 도 12 내지 도 14를 인용하는 실시예를 통해서 상세하게 설명한다.

도 12는 하부 기판(100) 상에 절연막 패턴(350)을 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸다.

구체적으로, 대면적의 하부 기판(100) 상에 캐소드로 이용되는 금속막(200)을 얇게 형성한다. 하부 기판(100)은 앞서 기재한 바와 같이 다양한 물질로 이루어질 수 있으나 유리로 이루어지는 것이 바람직하다. 금속막(200)은 크롬이나 티타늄, 질화 티타늄, 텅스텐 또는 알루미늄을 대략 0.3㎛ 내지 0.5㎛ 정도의 두께로 증착하여 형성한다.

이때, 금속막(200)과 하부 기판(100)과의 반응을 방지하기 위해서 반응 방지막(150)을 금속막(200) 하부에 형성할 수 있다. 하부 기판(100)은 실리콘, 석영, 유리 또는 알루미나로 형성될 수 있다. 하부 기판(100)이 실리콘 등으로 이루어질 경우, 후속의 탄소나노튜브(400)를 형성하는 화학기상증착 공정 등과 같은 열적 공정에서, 하부 기판(100)의 실리콘이 금속막(200)과 반응을 일으킬 수 있다. 이를 방지하기 위해서 상기한 반응 방지막(150)을 도입한다. 반응 방지막(150)은 대략 0.3㎛ 내지 0.5㎛ 정도의 두께로 이루어지며, 실리콘 산화물 등과 같은 절연물로 형성한다.

이후에, 금속막(200) 상에 탄소나노튜브를 성장시킬 때 촉매로써 작용할 수 있는 촉매금속막(300)을 형성한다. 촉매금속막(300)은 대략 수 ㎚ 내지 수백 ㎚의 두께, 바람직하게는 대략 20㎚ 내지 100㎚ 정도의 두께로 증착되며, 열증착법이나 스퍼터링법 등과 같은 박막 형성 방법을 이용하여 증착된다.

촉매금속막(300) 상에 저온, 예컨대, 상기한 하부 기판(100)을 유리로 이용할 경우 대략 500℃ 이하의 온도에서 절연막을 대략 1.0㎛ 내지 3.0㎛ 정도의 두께로 증착한다. 이는 절연막을 증착하는 공정에서 하부 기판(100)의 변형 등이 발생하는 것을 방지하기 위해서이다. 이러한 절연막은 다양한 절연 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 실리콘 산화물로 형성될 수 있다.

이후에, 상기한 절연막을 사진 식각 공정을 이용하여 패터닝하여 하부의 촉매금속막(300)을 선택적으로 노출하는 절연막 패턴(350)을 형성한다. 예를 들어, 대략 1.5㎛ 내지 2.0㎛ 정도의 두께로 포토레지스트막(도시되지 않음)을 도포한 후, 사진 현상하여 절연막을 선택적으로 노출하는 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이후에, 이러한 포토레지스트 패턴을 마스크(mask)로 이용하여 하부의 절연막을 선택적으로 식각하여 하부의 촉매금속막(300)을 선택적으로 노출하는 절연막 패턴(350)을 형성한다. 절연막 패턴(350)의 오프닝은 직경이 대략 1.0㎛ 내지 5.0㎛ 정도인 미세한 구멍일 수 있으며, 이러한 구멍들 간의 간격은 대략 3.0㎛ 내지 15.0㎛일 수 있다. 이후에, 상기한 포토레지스트 패턴을 스트립(strip)하여 제거한다.

도 13은 촉매금속막(300) 상에 탄소나노튜브(400)를 수직 배향으로 성장하는 단계를 개략적으로 나타낸다.

구체적으로, 절연막 패턴(350)의 오프닝에 의해서 노출되는 촉매금속막(300) 상에 선택적으로, 도 6 내지 도 10을 인용하여 기재된 바와 같이, 수직 배향된 탄소나노튜브를 화학기상증착으로 성장시킨다. 이와 같이 성장된 탄소나노튜브(400)는, 균일하게 배열될 수 있어 매우 정렬된 형태로 수직 방향으로 성장될 수 있다.

도 14는 절연막 패턴(350) 상에 스페이서(500)를 설치하는 단계를 개략적으로 나타낸다.

구체적으로, 절연막 패턴(350) 상에 대략 100㎛ 내지 700㎛ 정도의 길이를 가지는 스페이서(500)를 다수 설치한다. 스페이서(500)는 후속에 설치된 형광체(800)와 탄소나노튜브(400)의 팁 부위를 이격시키는 역할을 한다.

이후에, 투명한 상부 기판(600), 예컨대, 유리 기판 상에 애노드로 이용되는 투명 전극(700)을 부착한다. 이러한 투명 전극(700)은 ITO와 같은 투명한 도전 물질로 형성된다. 이후에, 상기 투명 전극(700) 상에 형광체(800)를 부착한다. 형광체(800)는 백색 발광을 일으키는 형광 물질, 예컨대, (3Ca₃(PO₄)₂CaFCl/Sb,Mn) 등과 같이 단파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질로 이루어지거나, Y₂O₃:Eu, CeMaA₁₁O₁₉:Tb 및 BaMg₂Al₁₆O₇:Eu 등과 같이 삼파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질로 이루어질 수 있다.

이와 같이 형광체(800) 및 투명 전극(700)이 구현된 별도의 투명한 상부 기판(600)을 상기한 형광체(800) 및 투명 전극(700)이 상기한 탄소나노튜브(400)의 팁 부위에 대향되도록 상기 스페이서(500)에 올려놓은 후, 진공으로 밀봉시켜 실장한다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

상술한 본 발명에 따르면, 직경이 매우 작은 크기인 팁을 가지는 탄소나노튜브를 전계 전자 방출 팁으로 이용함으로써, 낮은 인가 전압으로 큰 방출 전류를 얻을 수 있는 백색 광원을 제공할 수 있다. 또한, 단위 면적당 매우 높은 팁 밀도로 수직 배향된 탄소나노튜브들을 이용할 수 있어, 매우 우수한 발광 효율을 나타내는 백색 광원을 제공할 수 있다. 더욱이 백색 광원을 제조하는 공정이 간단하여 제품의 수율 및 신뢰성을 제고할 수 있다. 따라서, 기존의 형광 램프나 백열 전구를 대체할 수 있는 차세대 고효율 절전형 백색 광원으로 적용될 수 있다. 또한, 초소형화가 가능하고 전력 소모가 작아 휴대용 백색 광원으로 이용할 수 있다.

Claims (20)

1. 하부 기판 상에 형성되어 캐소드로 이용되는 금속막;

   상기 금속막 상에 형성된 촉매금속막;

   상기 촉매금속막 상에 수직 배향된 전계 전자 방출용 탄소나노튜브;

   상기 촉매금속막 상에 설치된 스페이서; 및

   상기 스페이서 상에 상기 탄소나노튜브에 대향하게 형광체가 부착되는 애노드용 투명 전극이 부착된 투명한 상부 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 광원.
2. 제1항에 있어서, 상기 하부 기판은 유리, 석영, 알루미나 또는 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 광원.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속막은

   크롬막, 티타늄막, 질화 티타늄막, 알루미늄막 또는 텅스텐막인 것을 특징으로 하는 백색 광원.
4. 제1항에 있어서, 상기 금속막 하부에

   상기 하부 기판과 상기 금속막과의 반응을 방지하는 절연 물질로 이루어지는 반응 방지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 광원.
5. 제1항에 있어서, 상기 촉매금속막은

   나노 크기의 상호 분리된 촉매금속 입자들로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 광원.
6. 제5항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는

   상기 촉매금속 입자들 각각에서 화학기상증착으로 수직 성장된 것을 특징으로 하는 백색 광원.
7. 제5항에 있어서, 상기 촉매금속은

   코발트, 니켈, 철, 이트륨 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 광원.
8. 제1항에 있어서, 상기 촉매금속막 상에

   상기 촉매금속막을 선택적으로 노출하는 오프닝을 가지는 절연막 패턴을 더 포함하고,

   상기 탄소나노튜브는 상기 촉매금속막의 상기 오프닝에 의해서 노출되는 부분 상에 선택적으로 위치하고,

   상기 스페이서는 상기 절연막 패턴 상에 설치된 것을 특징으로 하는 백색 광원.
9. 제1항에 있어서, 상기 형광체는

   (3Ca₃(PO₄)₂CaFCl/Sb,Mn)의 단파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질 또는 Y₂O₃:Eu, CeMaA₁₁O₁₉:Tb 및 BaMg₂Al₁₆O₇:Eu의 삼파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질인 것을 특징으로 하는 백색 광원.
10. 하부 기판 상에 캐소드로 이용되는 금속막을 형성하는 단계;

    상기 금속막 상에 촉매금속막을 형성하는 단계;

    상기 촉매금속막 상에 전계 전자 방출용 탄소나노튜브를 수직 배향되게 성장시키는 단계;

    상기 촉매금속막 상에 스페이서를 설치하는 단계; 및

    상기 스페이서 상에 상기 탄소나노튜브에 대향하게 형광체가 부착되는 투명 전극이 형성된 투명한 상부 기판을 올려놓고 실장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 광원 제조 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 하부 기판은 유리, 석영, 알루미나 또는 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 광원 제조 방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 금속막은 크롬막, 티타늄막, 질화티타늄막, 알루미늄막 또는 텅스텐막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 광원 제조 방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 금속막을 형성하는 단계 이전에

    절연 물질로 상기 하부 기판과 상기 금속막과의 반응을 방지하는 반응 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 광원 제조 방법.
14. 제10항에 있어서, 상기 촉매금속막은

    상기 촉매금속막을 증착하는 단계; 및

    상기 촉매금속막을 입계 식각하여 나노 크기의 촉매금속 입자들로 분리하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 광원 제조 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 입계 식각은

    암모니아 가스를 식각 가스로 사용하는 것을 특징으로 하는 백색 광원 제조 방법.
16. 제14항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는

    화학기상증착으로 상기 촉매금속 입자 각각에서 수직 배향되게 성장되는 것을 특징으로 하는 백색 광원 제조 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 화학기상증착은

    아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌, 프로판 또는 메탄 가스의 탄화 수소 가스를 탄소 소오스로 이용하는 것을 특징으로 하는 백색 광원 제조 방법.
18. 제14항에 있어서, 상기 촉매금속은

    코발트, 니켈, 철, 이트륨 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 백색 광원 제조 방법.
19. 제10항에 있어서, 상기 촉매금속막 상에

    상기 촉매금속막을 선택적으로 노출하는 오프닝을 가지는 절연막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하고,

    상기 탄소나노튜브는 상기 촉매금속막의 상기 오프닝에 의해서 노출되는 부분 상에 선택적으로 위치하고,

    상기 스페이서는 상기 절연막 패턴 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 백색 광원 제조 방법.
20. 제10항에 있어서, 상기 형광체는

    (3Ca₃(PO₄)₂CaFCl/Sb,Mn)의 단파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질 또는 Y₂O₃:Eu, CeMaA₁₁O₁₉:Tb 및 BaMg₂Al₁₆O₇:Eu의 삼파장 백색 발광을 일으키는 형광 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색 광원 제조 방법.