專利名稱：使用碳納米管的白光源及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種白光源，更具體地，涉及一種制造具有良好的照明功效的白光源的方法。
一種典型的白光源是熒光燈。熒光燈根據(jù)放電效應(yīng)下熒光體會發(fā)光設(shè)計(jì)。熒光燈具有照明度低的缺陷。而且，熒光燈的體積很難縮小，其操作電壓很難降低。不僅如此，隨著使用時間的延長，熒光燈的照明度降低。因此，熒光燈的穩(wěn)定性和可靠性就大打折扣，其生命周期也短。
為解決上述問題，本發(fā)明的一個特征是提供一種白光源，它具有良好的電場電子發(fā)射效率，因而即使施加電壓較低也能獲得大發(fā)射電流，并且每單位面積具有很高密度的電子發(fā)射器，以獲得良好的照明功效，同時提供其制造方法。
為了獲得上述特征，本發(fā)明提供了一種白光源，包括金屬薄膜，用作陰極，該金屬薄膜形成在一下部基片上；導(dǎo)電聚合物薄膜圖案，形成在金屬薄膜上；碳納米管，用于發(fā)射電子，該碳納米管基本垂直固定在導(dǎo)電聚合物薄膜圖案上，從而其一端露出導(dǎo)電聚合物薄膜圖案的表面；定距件，安裝在金屬薄膜上；透明的上部基片，其上形成連接熒光體的透明電極，該透明的上部基片安裝在定距件上，以便熒光體正對碳納米管。
熒光體由(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以產(chǎn)生白光，或由Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu制成，以產(chǎn)生基于三種混合發(fā)射光譜的白光。
本發(fā)明還提供一種制造白光源的方法。在一下部基片上形成用作陰極的金屬薄膜。在金屬薄膜上形成具有多個選擇性地暴露金屬薄膜的孔的絕緣薄膜圖案。在這些孔內(nèi)填充導(dǎo)電聚合物薄膜圖案。將碳納米管散布在這些孔中，并沉入導(dǎo)電聚合物薄膜圖案里，以便碳納米管直立，且露出一端。固化導(dǎo)電聚合物薄膜圖案，以固結(jié)沉入的碳納米管和導(dǎo)電聚合物薄膜圖案。將定距件安裝在導(dǎo)電薄膜圖案上。將帶有連接熒光體的透明電極的透明上部基片安裝在定距件上，以便熒光體正對碳納米管，最后對該透明的上部基片與下部基片進(jìn)行封裝。
碳納米管可以通過在下部基片上施加偏置直流或超聲波來散布在孔中。熒光體由(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以產(chǎn)生白光，或由Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu制成，以產(chǎn)生基于三種混合發(fā)射光譜的白光。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供具有良好照明功效的白光源。
通過參照如下附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)勢將會更加明顯。


圖1是按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的白光源的剖示圖；圖2到圖7是解釋制造按照本發(fā)明的實(shí)施例的白光源的方法的剖示圖。
下面將參考附圖，對本發(fā)明的一個實(shí)施例進(jìn)行詳盡的描述。本發(fā)明并不局限于下面的實(shí)施例，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以做出多種變型。提供本發(fā)明的實(shí)施例是為了向本領(lǐng)域技術(shù)人員更透徹的解釋本發(fā)明。在附圖中，元件的形狀為清楚起見進(jìn)行了放大，相同的參考數(shù)字表示相同的元件。同樣，當(dāng)一個薄膜被描述為在另一薄膜或一半導(dǎo)體基片上時，它可以是直接置于該另一層或該半導(dǎo)體基片上，或者其間可以存在一層間薄膜。
本發(fā)明提供了使用碳納米管的白光源和相應(yīng)的制造方法。眾所周知，碳納米管是微觀構(gòu)建的，使單個碳原子同三個相鄰的碳原子相連，通過碳原子之間的連接形成六邊形的環(huán)，繼而由重復(fù)的六邊形環(huán)組成的象蜂窩一樣的平面被卷起來形成圓筒形。這種圓筒結(jié)構(gòu)的特征是直徑通常為幾到幾十納米，長度為直徑的幾十到幾千倍。
因此，碳納米管尖端的直徑為幾到幾十納米，從而實(shí)現(xiàn)了很高的電場電子發(fā)射效率。因此，可以在較低的施加電壓下獲得大量的發(fā)射電流。不僅如此，碳納米管可以在單位面積上進(jìn)行高密度的排列，以得到很高的尖端密度，進(jìn)而獲得良好的照明功效。
圖1是用于說明根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的白光源的剖示圖。參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的白光源包括位于下部基片100上的用作陰極的金屬薄膜200和導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400，以及垂直或傾斜地植于導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400中的碳納米管500。
下部基片100可以由硅(S)，氧化鋁(Al2O3)，石英或玻璃制成，但下層基片100最好由玻璃制成，因?yàn)椴Ａнm合于白光源制造完成時的封裝。因?yàn)榻饘俦∧?00是用來向承載碳納米管500的導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400傳遞電流的，所以金屬薄膜200最好由具有良好導(dǎo)電性能的材料制成。例如，金屬薄膜200可以由導(dǎo)電材料，如鉻(Cr)，鈦(Ti)，氮化鈦(TiN)，鎢(W)或鋁(Al)制成。但是，因?qū)щ娋酆衔锉∧D案400也具有導(dǎo)電性，如果必要，可以略去金屬薄膜200。
導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400由絕緣的薄膜圖案300以預(yù)定的圖案進(jìn)行分區(qū)。因此，植于被分區(qū)的導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400中的碳納米管500也得到了分組。每一組碳納米管500可以構(gòu)成一個單一單元。
碳納米管500植于導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400中，從而碳納米管500的尖端露出導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400的表面，并指向用作陽極的透明電極800的表面。施加于透明電極800和金屬薄膜200的電場將集中在碳納米管500的尖端，因此電子將從碳納米管500的尖端發(fā)射出來。
發(fā)射出的電子撞擊連接在透明電極800上、正對碳納米管500的熒光體900，該熒光體900將發(fā)光。熒光體900可進(jìn)行設(shè)計(jì)以具有特定的形狀。透明電極800由透明的導(dǎo)電材料如氧化銦錫(ITO)制成，并連接到由玻璃制成的透明基片700上。熒光體可以由熒光材料制成，如(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)，以產(chǎn)生白光，或由混合熒光材料制成，如Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu，以產(chǎn)生基于三種混合發(fā)射光譜的白光。
使用安裝在絕緣薄膜圖案300上的定距件600，碳納米管500與熒光體900分開一預(yù)定的距離。每個定距件600長100～700μm左右。透明基片700安裝在定距件600上。為了安裝定距件600，熒光體900設(shè)計(jì)為露出定距件600接觸透明電極800的部分。連接透明電極800的透明基片700安裝在定距件600上，并同下部基片100進(jìn)行真空封裝。
因?yàn)橥溟L度比較，每個碳納米管400尖端的直徑很小—平均幾到幾十納米，極端情況下，可以同原子一樣小，電子在施加電場的存在下可以很有效的從尖端發(fā)射出來。換句話說，即使在金屬薄膜200或?qū)щ娋酆衔锉∧D案400與透明電極800之間施加較低的電壓，在碳納米管500的尖端也能形成很強(qiáng)的電場，因此可以非常有效的發(fā)射電子。不僅如此，因?yàn)樘技{米管500能夠每單位面積以很高的密度植入，從這些碳納米管500發(fā)射出的電子形成很大的發(fā)射電流。
發(fā)射出的電子通過施加到作為陽極的透明電極800和作為陰極的金屬薄膜200或?qū)щ娋酆衔锉∧D案400間的電場傳遞到透明電極800。當(dāng)電子撞擊熒光體900時，熒光體900中的電子被激發(fā)到一個較高的能量狀態(tài)，接著通過釋放光子返回較低的能量狀態(tài)，因此熒光體能夠發(fā)光。發(fā)出的光通過透明基片700發(fā)散出來。這樣，如上所述，因?yàn)殡娮影l(fā)射效率很高，發(fā)射電子形成的發(fā)射電流也很大，擊打熒光體900的電子流就很強(qiáng)。相應(yīng)的，熒光體900的照明度就很高。
雖然根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，白光源實(shí)際上很簡單和緊湊，但是它可以發(fā)出具有很高照明度的白光。不僅如此，由于它具有很高的電子發(fā)射效率，所以它可以在很低的電壓和很小的電流下工作。因此，這種白光源可以用于普通照明系統(tǒng)。而且，如果極端縮小，它可以用于便攜照明。
參照圖2到圖7，下面將詳述一種制造如上所述本發(fā)明的實(shí)施例的白光源的方法。
圖2簡要表示了在下部基片100上形成導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400的步驟。用作陰極的金屬薄膜200薄薄地在下部基片100上形成，可以進(jìn)行大批量生產(chǎn)。下部基片100可以由硅、鋁、石英或玻璃制成，但是最好由玻璃制成，因?yàn)椴Ａнm合于白光源的封裝。金屬薄膜200通過沉積具有良好導(dǎo)電性的材料，如鉻、鈦、氮化鈦、鎢或鋁，到厚度為0．3～0．8μm而制成。這種沉積采用生成薄膜的方法，如熱沉積法或?yàn)R射法來完成。
絕緣薄膜是在金屬薄膜200上沉積絕緣材料，如氧化硅，到厚度為1．0～4．0μm而制成。當(dāng)下部基片100由玻璃制成時，該絕緣薄膜要在低溫下沉積，例如低于500℃，以防止下部基片100在絕緣薄膜沉積過程中發(fā)生變形。
然后，使用光刻法形成絕緣薄膜圖案，從而形成有選擇地露出下面的金屬薄膜200的絕緣薄膜圖案。例如將光刻膠沉積到厚度約1．5～2．0μm，接著暴光并沖洗，而形成選擇性地露出絕緣薄膜的光刻膠圖案350。然后，將光刻膠圖案350作為蝕刻掩膜有選擇地蝕刻絕緣薄膜，從而形成有選擇地露出下面的金屬薄膜200的絕緣薄膜圖案300。絕緣薄膜圖案300的孔可以是直徑為大約1～10μm的微型洞?？字g的距離為3．0～15．0μm。最后，光刻膠圖案350通過剝離處理被去除。
圖3簡要的表示了使用導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400填充絕緣薄膜圖案300的步驟。絕緣薄膜圖案300的微型洞被填充以液體導(dǎo)電聚合物，以接觸被絕緣薄膜圖案300露出的金屬薄膜200，從而形成了導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400。最好每個孔被導(dǎo)電聚合物填充到半滿。因此，導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400的厚度為大約1～2μm。
圖4簡要表示了將碳納米管500植入到導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400的步驟。碳納米管500散布并沉入到導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400中。這里，因?yàn)樘技{米管500具有稍長的形狀，它們大部分都是一端向下沉入。因此，碳納米管500的一端首先接觸導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400，因此碳納米管500垂直地沉入到導(dǎo)電聚合物薄膜400中。
因?yàn)樘畛鋵?dǎo)電聚合物薄膜圖案400的微型孔的直徑大約為1～10μm，歪斜或水平地沉入的碳納米管500將被絕緣薄膜圖案300擋住。被絕緣薄膜圖案300擋住的碳納米管500將向一邊傾斜，基本上垂直地沉入導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400中。
為了讓被絕緣薄膜圖案300擋住的碳納米管500能順利地沉入導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400，下部基片100可以使用超聲波來使它震動或抖動。或者，碳納米管500也可以通過在下部基片100上施加偏置直流而被引導(dǎo)到垂直地沉入導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400。通過施加震動或偏置直流，被絕緣薄膜圖案300擋住的碳納米管500可以垂直的沉入導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400。換句話說，碳納米管500沉入到導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400，以便其尖端直接或歪斜的指向上方。碳納米管500的另一端露出導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400的表面。
同時，最好將碳納米管500按照每單位面積相同的數(shù)量進(jìn)行分布。為了達(dá)到這個目的，導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400上提供了一個篩網(wǎng)(沒有示出)。將碳納米管500放到篩網(wǎng)上后，震動或抖動篩網(wǎng)，以便碳納米管500可以通過篩網(wǎng)的孔進(jìn)行散布。篩網(wǎng)的孔具有統(tǒng)一的密度，以便通過這些孔進(jìn)行散布的碳納米管500也可以以相同的密度沉入導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400。
圖5簡要表示了固化導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400以固結(jié)沉入的碳納米管500的步驟。導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400使用構(gòu)成導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400的聚合物的固化性能來進(jìn)行固化。例如當(dāng)導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400由熱固性聚合物組成時，固化反應(yīng)在較低的溫度下進(jìn)行，比如，大約低于300℃來固化導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400。作為結(jié)果，沉入的碳納米管500同導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400固結(jié)起來。
圖6簡要表示了在絕緣薄膜圖案300上安裝定距件600的步驟。多個大約長100～700μm的定距件安裝在絕緣薄膜圖案300上。
圖7簡要表示了在分開的透明基片700上形成透明電極800和熒光體900的步驟。
用作正極的透明電極800連接到分開的透明基片700上，如一種玻璃基片。透明電極800由透明導(dǎo)電材料，如ITO制成。然后，熒光體900連接到透明電極800上。熒光體900可以由熒光材料如(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以產(chǎn)生白光，或由混合熒光材料制成，包括象Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu，以產(chǎn)生基于混合發(fā)射光譜的白光。該熒光體900的圖案可以被設(shè)計(jì)為允許定距件600接觸透明電極800。
帶有熒光體900和透明電極800的分離基片700安裝在定距件600上，以便熒光體900和透明電極800正對導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400。這樣，與導(dǎo)電聚合物薄膜圖案400垂直固結(jié)的碳納米管500的尖端正對熒光體900的表面。將透明玻璃基片700安裝在定距件600上后，進(jìn)行真空封裝。
對于通過上述步驟制造出的白光源中的碳納米管500，其每個尖端的直徑實(shí)際上都很小，只有幾個到幾十個納米，因此在施加的電場中的電子發(fā)射在很低的施加電壓下也能實(shí)現(xiàn)。
如上所述，本發(fā)明能夠提供一種白光源，該白光源通過使用末端直徑很小的碳納米管作為電場電子發(fā)射尖端，可以在較低的施加電壓下獲得大量的發(fā)射電流。不僅如此，本發(fā)明可以提供一種具有良好照明功效的白光源，因?yàn)樵趩挝幻娣e上可以具有很高的尖端密度。而且，制造白光源的過程得到了簡化，從而提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和可靠性。因此，提供了一種新一代高效節(jié)能白光源，代替已有的熒光燈或輝光燈。采用本發(fā)明的白光源可以做得很小，能耗較低，因此可以用作便攜白光源。
雖然已經(jīng)參考特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但對本領(lǐng)域的一個普通技術(shù)人員來說很顯然可以對所描述的實(shí)施例進(jìn)行修改而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種白光源，包括用作陰極的一金屬薄膜，該金屬膜形成在一下部基片上；形成在金屬薄膜上的一導(dǎo)電聚合物薄膜圖案；用于發(fā)射電子的碳納米管，該碳納米管與導(dǎo)電聚合物薄膜圖案基本上垂直地固結(jié)，從而其一端露出導(dǎo)電聚合物薄膜圖案的表面；安裝于金屬薄膜上的定距件；和透明上部基片，連接熒光體的透明電極在其上形成，該透明上部基片安裝于定距件上，從而熒光體正對碳納米管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光源，其中下部基片由玻璃、石英、氧化鋁或硅制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光源，其中金屬薄膜由鉻、鈦、氮化鈦、鋁或鎢制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光源，其中熒光體由(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以產(chǎn)生白光，或由Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu制成，以產(chǎn)生基于三種混合發(fā)射光譜的白光。
5.一種白光源，包括用作陰極的一金屬薄膜，該金屬薄膜在一下部基片上形成；設(shè)置在金屬薄膜上的一絕緣薄膜圖案，該絕緣薄膜圖案具有有選擇地露出金屬薄膜的多個孔；在孔中形成的導(dǎo)電聚合物薄膜圖案；用于發(fā)射電子的碳納米管，該碳納米管與導(dǎo)電聚合物薄膜圖案基本上垂直地固結(jié)，從而其一端露出導(dǎo)電聚合物薄膜圖案的表面；安裝于絕緣薄膜圖案上的定距件；和透明上部基片，連接熒光體的透明電極在其上形成，該透明上部基片安裝于定距件上，從而熒光體正對碳納米管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的白光源，其中下部基片由玻璃、石英、氧化鋁或硅制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的白光源，其中金屬薄膜由鉻、鈦、氮化鈦、鋁或鎢制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的白光源，其中導(dǎo)電聚合物薄膜圖案的表面低于絕緣薄膜圖案的表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的白光源，其中孔是直徑大約1～10μm的洞，并且其間隔距離為大約3～15μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的白光源，其中熒光體由(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以產(chǎn)生白光，或由Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu制成，以產(chǎn)生基于三種混合發(fā)射光譜的白光。
11.一種制造白光源的方法，該方法包括如下步驟在一下部基片上形成用作陰極的金屬薄膜；在金屬薄膜上形成絕緣薄膜圖案，該絕緣薄膜圖案具有有選擇地露出金屬薄膜的多個孔；使用導(dǎo)電聚合物薄膜圖案填充該孔；在該孔中散布碳納米管，并將碳納米管沉入導(dǎo)電聚合物薄膜圖案中，以便碳納米管直立，并露出一端；固化導(dǎo)電聚合物薄膜圖案，以固結(jié)沉入的碳納米管和導(dǎo)電聚合物薄膜圖案；在絕緣薄膜圖案上安裝定距件；以及在定距件上安裝一透明上部基片，連接熒光體的透明電極形成在透明上部基片上，從而熒光體正對碳納米管，并將下部基片與上部基片封裝。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中下部基片由玻璃、石英、氧化鋁或硅制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中金屬薄膜由鉻、鈦、氮化鈦鋁或鎢制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中孔的直徑大約1～10μm，并且其間隔距離為大約3～15μm。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中碳納米管通過在下部基片上施加偏置直流或超聲波來散布到孔中。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中用導(dǎo)電聚合物薄膜圖案填充孔，從而導(dǎo)電聚合物薄膜圖案的表面低于絕緣薄膜圖案的表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中熒光體由(3Ca3(PO4)2CaFCl／Sb，Mn)制成，以產(chǎn)生白光，或由Y2O3∶Eu，CeMaA11O19∶Tb和BaMg2Al16O7∶Eu制成，以產(chǎn)生基于三種混合發(fā)射光譜的白光。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種使用碳納米管的白光源及其制造方法。該白光源包括:用作陰極并形成在下部基片上的金屬薄膜;在該金屬薄膜上形成的導(dǎo)電聚合物薄膜圖案;與導(dǎo)電聚合物薄膜圖案基本上垂直地固結(jié)從而其一端露出導(dǎo)電聚合物薄膜圖案表面的碳納米管,該碳納米管用來發(fā)射電子;安裝在金屬薄膜上的定距件;具有連接熒光體的透明電極的透明上層基片,安裝在定距件上,以便熒光體正對碳納米管。
文檔編號H01J9/24GK1280382SQ0010781
公開日2001年1月17日 申請日期2000年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月18日
發(fā)明者李鐵真, 趙榮相, 柳在銀 申請人:李鐵真, 趙榮相, 株式會社日進(jìn)納米技術(shù)