DE10247447A1

DE10247447A1 - Direkt beheizte Oxidkathode

Info

Publication number: DE10247447A1
Application number: DE10247447A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Kato; Tomohiro Yamada
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2022-10-12
Also published as: JP2003123620A; FR2830982A1; GB2385707A; DE10247447B4; US6803709B2; FR2830982B1; GB0224007D0; CN1421891A; KR20030031431A; US20030071561A1; KR100575330B1

Abstract

Bei einer direkt beheizten Oxidkathode, bei der eine Schicht aus elektronenemittierendem Material auf einer Oberfläche eines Kernmetalldrahtes aufgebracht ist, das elektronenemittierende Material eine feste Lösung ist, die aus Oxidkristallkörnern mit einer mittleren Korngröße von wenigstens 0,1 mum bis 2.0 mum gebildet ist. Das elektronenemittierende Material ist in einer Schichtdicke von 0,5 mum bis 4,0 mum aufgebracht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf direkt beheizte Oxidkathoden, die bei Fluoreszenzanzeigeröhren, Lichtquelleneinheiten, die nach dem Prinzip der Fluoreszenzanzeigeröhren aufgebaut sind, bei großflächigen Anzeigebildschirmen, Lichtquellen für Drucker und bei selbstleuchtende Einrichtungen für Hintergrundbeleuchtung verwendet werden.
Fig. 22 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Fluoreszenzanzeigeröhre 1 zeigt.
Fig. 23 ist eine Schnittdarstellung, die die Fluoreszenzanzeigeröhre von Fig. 22 zeigt. Die Fluoreszenzanzeigeröhre 1 hat eine Triodenröhrenstruktur. Ein Vakuumbehälter wird aus einem isolierenden Glassubstrat 2, einem Frontglas 3 und einem Abstandsglas 31 gebildet. Der Vakuumbehälter enthält eine Anodenelektrode 24, eine Gitterelektrode 4 und Fadenkathoden 5, von denen jede als direkt beheizte Oxidkathode wirkt. Ein durchgehendes Loch 22 ist in der oberen Fläche der Verdrahtungsschicht 21 ausgebildet, die über der Oberfläche des isolierenden Substrats auflaminiert ist. Ein leitfähiges Material 23 füllt das Loch 22. Die Anodenelektrode 24 ist auf der oberen Fläche der isolierenden Schicht über das leitfähige Material auflaminiert. Die Fadenkathoden 5, die jeweils thermische Elektronen emittieren, werden von Fadenankern gehalten. Elektrische Signale werden von außen an die Anodenelektroden, die Gitterelektroden und die Fadenkathoden über Anschlusspins 6 angelegt.
Um die Fadenkathode 5 herzustellen, wird eine Mischung aus Carbonatpulvern 52 aus Alkalierdmetallen (beispielsweise Barium (Ba), Strontium (Sr) und Calcium (Ca)) in einer Dicke von mehreren µm auf der Oberfläche eines sehr feinen Metalldrahtkerns 51 (beispielsweise Wolfram oder Rhenium-Wolfram-Legierung) mit einem Durchmesser von 5 bis 41 µm als Schicht aufgebracht. Die Fadenkathoden 5 werden in dem Behälter der Fluoreszenzanzeigeröhre angeordnet. Danach werden, während der Behälter auf einem Vakuum evakuiert wird, die Drähte elektrisch aufgeheizt, um sie in Oxide umzusetzen. Auf diese Weise wird jede direkt beheizte Oxidkathode als elektronenemittierende Quelle ausgebildet.
In der Fluoreszenzanzeigeröhre 1 treffen die Elektronen, die von den Fadenkathoden 5 emittiert werden und die durch die Gitterelektroden 4 beschleunigt werden, auf die Schicht 25 aus einer Fluoreszenzsubstanz auf, die auf der Anodenkathode 24 ausgebildet ist. Die beschleunigten Elektronen regen die Fluoreszenzschicht 25 an, so dass Licht emittiert wird.
Um Licht von der Fluoreszenzschicht mit einem guten Wirkungsgrad zu emittieren, ist es erforderlich, dass die Fadenkathode 5 eine verbesserte Emissionsfähigkeit und einen reduzierten Stromverbrauch hat.
Wenn die Oxidkathode aufgeheizt wird, wird der thermische Elektronenfluss (Sättigungsstrom), der pro Zeiteinheit von der Oberfläche der Fluoreszenzschicht emittiert wird, durch die folgende Richardoson-Dushmann-Gleichung beschrieben:

I_S = SATⁿ exp (- eφ)/kT)

wobei:
I_S ein Sättigungsstrom ist (maximaler Strom (A), der von einem Material bei einer Temperatur abgeleitet wird);
S der thermische Elektronenemissionsbereich (cm²) einer Kathode ist;
A eine thermische Elektronenemissionskonstante (A/cm²K²) ist;
T die Temperatur einer Kathode (K) ist;
e eine Elektronenladung ist;
φ die Arbeitsfunktion (eV) ist; und
k die Boltzmann-Konstante ist.
Wie aus der Gleichung ersichtlich ist, gibt es, um die Sättigungsstromdichte I_S zu erhöhen, drei Bedingungen: (1) eine hohe Kathodentemperatur, (2) eine größere thermische Emissionsfläche und (3) eine kleinere Arbeitsfunktion.
Die Arbeitsfunktion φ ist ein inhärenter Wert, der durch das Elektronenemissionsmaterial und durch die Herstellungsmethode bestimmt wird. Wenn angenommen wird, dass die Arbeitsfunktion φ eines ternären Oxids der Formel (Ba, Sr, Ca)O etwa 0,9 eV beträgt und für die jeweilige Fluoreszenzanzeigeröhre konstant ist, ist ersichtlich, dass die Erhöhung des thermischen Elektronenemissionsbereichs 5 der Kathode und die Erhöhung der Kathodentemperatur T in einer Verbesserung der Kathodenemissionsfähigkeit resultieren kann.
Der thermische Emissionsbereich S kann dadurch ausgeweitet werden, dass die Menge der Oxidbeschichtung, das heißt die Beschichtungsdicke, erhöht wird. Da jedoch eine Vergrößerung der Oxidbeschichtungsmenge eine Erhöhung der Wärmestrahlung von der Oberfläche der Oxidkathode verursacht, kann die Temperatur, die ebenfalls die Emissionsfähigkeit beeinflusst, herabgesetzt werden.

Einige Veröffentlichungen zeigen Vorgehensweisen, die sich mit den oben erwähnten Problemen befassen. Nach der Japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 9-148066 entspricht die Elektronenemissionsfläche dem Oberflächenbereich einer Fadenkathode, auf der ein ternäres Oxid aufgeschichtet ist. Das ternäre Oxid, das aus Barium, Strontium und Calcium gebildet ist, hat eine Dicke von 6,5 bis 7,5 µm, so dass eine gute Emissionsfähigkeit mit einem feststehenden Stromverbrauch und in einem gut ausgeglichenen Zustand erhalten werden kann.

Die Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 60-63484 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer reinen Oxidkathode, deren Korngröße (Durchmesser) reduziert ist und die gute Emissionscharakteristiken hat. Dieses Verfahren umfasst die Schritte, dass Körner (oder Teilchen) aus einem Carbonat aus Alkalierdmetall hergestellt werden, während eine wässrige Ammoniumcarbonatlösung in eine wässrige Nitratlösung aus Alkalierdmetall (beispielsweise Barium (Ba), Strontium (Sr) und Calcium (Ca)) mit Hochgeschwindigkeitsdrehzahlen eingerührt und damit reagieren gelassen wird, dass eine Elektroabscheidungs- oder galvanische Lösung hergestellt wird, indem das Alkalimetallcarbonat, ein Bindemittel und ein organisches Lösungsmittel gemischt und dispergiert werden, dass Fadenkathoden in einem Behälter angeordnet werden, die jeweils aus einem Wolframkerndraht gebildet sind, dessen Oberfläche mit dem Carbonat unter Verwendung der Elektrodenabscheidung aus der Lösung beschichtet ist, und dass das ternäre Carbonat, das aus einem Alkalierdmetall hergestellt ist, zersetzt wird, während der Behälter auf ein Vakuum evakuiert ist.

Aufgrund der neuerlichen Anforderung, dass Energie gespart werden muss, hat sich das Erfordernis ergeben, den Stromverbrauch einer Fluoreszenzanzeigeröhre zu reduzieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine direkt beheizte Oxidkathode bereitzustellen, die gute Emissionscharakteristiken und einen reduzierten Stromverbrauch hat. Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Fluoreszenzanzeigeröhre bereitzustellen, die die vorstehend genannte Kathode verwendet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße, direkt beheizte Oxidkathode in der in Anspruch 1 angegebenen Weise ausgebildet. Eine Fluoreszenzanzeigeröhre gemäß der Erfindung ist in Anspruch 7 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung liefert eine direkt beheizte Oxidkathode, die gute Emissionscharakteristiken und einen geringen Stromverbrauch hat. Es hat sich gezeigt, dass durch gleichförmiges Aufbringen einer Beschichtung aus feinen ternären Carbonatteilchen auf der Oberfläche eines Kernmaterialdrahtes ermöglicht wird, den Stromverbrauch der Fadenelektrode zu reduzieren. Durch die Reduzierung des Stromverbrauchs, der durch die vorhandenen Kathoden verursacht wird, kann der gesamte Stromverbrauch einer Fluoreszenzanzeigeröhre auf 50% bis 70% des bisherigen Wertes reduziert werden, indem die Fadenkathoden entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte, seitliche Schnittdarstellung, die Teile einer Fluoreszenzanzeigeröhre zeigt, die Fadenkathoden nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält;
Fig. 2 ein Diagramm, welches eine Elektroabscheidungseinrichtung zur Herstellung von Fadenkathoden nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 ein Diagramm, das die Viskositätsverteilung von 0,3 µm Teilchen eines Carbonats nach dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Viskositätsverteilung von 2,0 µm Teilchen aus einem Carbonat, welches für die vorliegende Erfindung verwendet wird, zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm, welches die Viskositätsverteilung von 0,5 µm Teilchen aus Carbonat, das für die vorliegende Erfindung verwendet wird, zeigt;
Fig. 6 eine graphische Darstellung, bei der der Stromverbrauch der Fadenkathode einer Fluoreszenzanzeigeröhre aufgezeichnet ist, die Fadenkathoden nach der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 7 eine graphische Darstellung, bei der der Fadensättigungsstrom einer Fluoreszenzanzeigeröhre aufgetragen ist, die Fadenkathoden nach der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 8 eine graphische Darstellung, bei der die Sättigungsstrom-Restraten einer Fluoreszenzanzeigeröhre aufgezeichnet sind, die Fadenkathoden gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 9 eine graphische Darstellung, bei der die Sättigungsstrom-Restraten einer Fluoreszenzanzeigeröhre aufgetragen sind, die Fadenkathoden gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 10 eine Photographie (× 1000) einer Fadenkathode gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der 0,5 µm Teilchen in einer Schichtdicke von 2,5 µm aufgebracht sind;
Fig. 11 eine Photographie (× 3000) von einer Fadenkathode gemäß der vorliegenden Erfindung, auf der 0,5 µm Teilchen mit einer Schichtdicke von 2,5 µm aufgetragen sind;
Fig. 12 eine Photographie (× 1000) einer Fadenkathode gemäß der vorliegenden Erfindung, auf der 0,5 µm Teilchen mit einer Schichtdicke von 4 µm aufgetragen sind;
Fig. 13 eine Photographie (× 3000) einer Fadenkathode gemäß der vorliegenden Erfindung, auf der 0,5 µm Teilchen mit einer Schichtdicke von 4 µm aufgetragen sind;
Fig. 14 eine Photographie (× 1000) einer Fadenkathode, auf der 2,0 µm Teilchen mit einer Schichtdicke von 4 µm aufgetragen sind;
Fig. 15 eine Photographie (× 3000) einer Fadenkathode, auf der 2,0 µm Teilchen mit einer Schichtdicke von 6,5 µm aufgetragen sind;
Fig. 16 eine Photographie (× 1000) einer Fadenkathode, auf der 3,0 µm Teilchen mit einer Schichtdicke von 6,5 µm aufgetragen sind;
Fig. 17 eine Photographie (× 3000) einer Fadenkathode, auf der 3,0 µm Teilchen mit einer Schichtdicke von 6,5 µm aufgetragen sind;
Fig. 18 eine Querschnittsdarstellung, die einen Metallkerndraht zeigt, auf der Carbonat in einer einzigen Schicht mit einer Dicke von 0,5 µm aufgeschichtet ist;
Fig. 19 eine Querschnittsdarstellung eines Metallkerndrahtes, auf dem Carbonat in mehreren Schichten mit einer Dicke von 2,0 µm aufgeschichtet ist;
Fig. 20 eine Querschnittsdarstellung eines Metallkerndrahtes, auf dem Carbonat in einer einzigen Schicht mit einer Dicke von 3,0 µm aufgetragen ist;
Fig. 21 eine Querschnittsdarstellung eines Metallkerndrahtes, auf dem Carbonat in mehreren Schichten mit einer Dicke von 3,0 µm aufgetragen ist;
Fig. 22 eine seitliche Querschnittsdarstellung, zum Teil weggebrochen, die eine Fluoreszenzanzeigeröhre zeigt, auf der herkömmliche Fadenkathoden montiert sind;
Fig. 23 eine vergrößerte seitliche Schnittdarstellung zum Teil weggebrochen, die eine Fluoreszenzanzeigeröhre zeigt, auf der herkömmliche Fadenkathoden montiert sind.
Um einen Faden oder ein Filament herzustellen, wird zunächst ein Alkalierdmetallcarbonat (Ba, Sr, Ca) CO₃ galvanisch auf einem Wolframkerndraht mit einem Durchmesser von 5 bis 41 µm zusammen mit einem organischen Acrylbindemittel abgeschieden.
Wenn eine Mischungslösung aus Ba(NO₃)₂, Sr(NO₃)₂ und Ca(NO₃)₂, die jeweils gut raffiniert sind, zu einer Lösung von Na₂CO₃ oder (NH₄)₂CO₃ zugegeben wird, tritt die folgende Reaktion auf:

(Ba, Sr, Ca)(NO₃)₂.NA₂CO₃ → (Ba, Sr, Ca) CO₃ + 2NaNO₃ (2)
Durch diese Reaktion wird weißes Carbonat (Ba, Sr, Ca) CO₃ abgeschieden. Das Carbonat wird durch geeignetes Auswaschen des Sediments mit warmem Wasser erhalten.
In dem Stadium, an dem die Evakuierung der Fluoreszenzanzeigeröhre abgeschlossen wird, wird das Carbonat elektrisch auf etwa 1000°C im Vakuum aufgeheizt. Dadurch wird das organische Bindemittel zersetzt und verdampft, während es thermisch in Oxide gemäß der folgenden Gleichung zersetzt wird:

3(Ba, Sr, Ca) CO₃ → 3CO₂ + 3(Ba, Sr, Ca) O (3)
Zu diesem Zeitpunkt wird ein Teil der BaO-Moleküle mit Hilfe des Wolframkerndrahtes, der ein Basismetall darstellt, reduziert, während die folgende Reaktion abläuft:

BaO → Ba + (1/2)O₂ ↑ (4)
Auf diese Weise werden freie Ba-Atome erzeugt, die als Elektronenemissionsquellen dienen.
Die chemische Reaktion (4) tritt an der Grenzfläche zwischen dem Kernmetalldraht und dem BaO auf. So werden freie Ba-Atome durch die Reduktion von BaO erzeugt. Es wird angenommen, dass die Ba-Atome als Elektronenemitter wirken, und dass das ternäre Carbonat, welches mit hoher Dichte auf der Oberfläche des feinen Wolframdrahtes abgeschieden ist, eine ausreichende Elektronenemissionsfähigkeit liefert, selbst wenn die Beschichtungsmenge gering ist. Ferner ist anzunehmen, dass die freien Ba-Atome den reaktiven Stromverbrauch der Fadenkathode reduzieren, der durch die Dicke des ternären Carbonats verursacht wird.
Ferner wird angenommen, dass das ternäre Carbonat, das mit hoher Dichte auf dem Kernmetalldraht abgeschieden ist, eine ausreichende Emissionsfähigkeit liefert, selbst wenn die Menge davon gering ist. Die Reduktion der Strahlungswärme, die von der Oxidkathodenoberfläche abgestrahlt wird und die durch die erhöhte Menge an beschichtetem Oxid verursacht wird, kann zu der Herstellung einer Fadenkathode mit niedrigem Stromverbrauch führen. Diese Aussagen können wie folgt bestätigt werden:
(Ba, Sr, Ca) aus 3,0 µm Teilchen (D90 = 8,22, D50 = 3,00, D10 = 1,15), 2,0 µm Teilchen (D90 = 5,62, D50 = 2,00, D10 = 0,20) und 0,5 µm Teilchen (D90 = 2,32, D50 = 0,50, D10 = 0,04) wird als ternäres Carbonat zur Verwendung für eine Fadenkathode bereitet. Das ternäre Carbonat, ein Bindemittel aus Acrylharz und ein Keton- oder Alkohol-Lösungsmittel werden miteinander vermischt, um eine galvanische Lösung herzustellen.
Was die 3,0 µm Teilchen (D90 = 8,22, D50 = 3,00, D10 = 1,15) betrifft, so setzen sich diese aus Teilchen mit einer Korngröße (Durchmesser) von bis zu 1,15 µm in einer Menge von 10% von der Gesamtmenge, Teilchen mit einer Korngröße von bis zu 3,00 µm in einer Menge von 50% der Gesamtmenge und Teilchen mit einem Teilchendurchmesser bis zu 8,22 µm in einer Menge von 90% der Gesamtmenge zusammen. Die durchschnittliche Korngröße ist 3,00 µm (Fig. 3 zeigt eine Korngrößenverteilung von 3,0 µm Teilchen).
Was die 2,0 µm Teilchen (D90 = 5,62, D50 = 2,00, D10 = 0,20) betrifft, so setzen sich diese aus Teilchen mit einer Korngröße von bis zu 0,2 µm in einer Menge von 10% der Gesamtmenge, aus Teilchen mit einer Korngröße von bis zu 2,0 µm in einer Menge von 50% der Gesamtmenge und aus Teilchen mit einer Korngröße von bis zu 5,62 µm in einer Menge von 90% von der Gesamtmenge zusammen. Die mittlere Korngröße ist 2,0 µm (Fig. 4 zeigt eine Korngrößenverteilung von 2,0 µm Teilchen).
Was die 0,5 µm Teilchen (D90 = 2,32, D50 = 0,50, D10 = 0,04) betrifft, so setzen sich diese Teilchen aus Teilchen einer Korngröße bis zu 0,04 µm in einer Menge von 10% der Gesamtmenge, aus Teilchen mit einer Korngröße von bis zu 0,50 µm in einer Menge von 50% der Gesamtmenge und aus Teilchen mit einer Korngröße von bis zu 2,32 µm in einer Menge von 90% der Gesamtmenge zusammen. Die mittlere Korngröße ist 0,5 µm (Fig. 5 zeigt eine Korngrößenverteilung von 0,5 µm Teilchen).
Eine galvanische Lösung mit 3,0 µm Teilchen, eine galvanische Lösung mit 2,0 µm Teilchen und eine galvanische Lösung mit 0,5 µm Teilchen werden vorbereitet. Unter Verwendung dieser galvanischen Lösungen wird ternäres Carbonat als Schicht in einer Dicke von 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 µm auf einem Wolframdraht mit einem Durchmesser von 24,5 µm entsprechend der Kataphorese abgeschieden. Auf diese Weise werden Fadenkathoden hergestellt.
Auf diese Weise hergestellte Fadenkathoden werden in einer Fluoreszenzanzeigeröhre angeordnet. Jede Farbkathode wird elektrisch auf etwa 1000°C aufgeheizt, um das Carbonat zu zersetzen, während ein Vakuumpumpvorgang durchgeführt wird. Auf diese Weise wird eine Fluoreszenzanzeigeröhre hergestellt, in der direkt beheizte Oxidkathoden montiert sind. Als nächstes wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in größerem Detail beschrieben.

Herstellungsverfahren für das Carbonat

Das Rohmaterial bestehend aus Ca(NO₃)₂, 4H₂O, Sr(NO₃)₂ und Ba(NO₃)₂ wird so abgewogen, dass, wenn die Rohmaterialien chemisch in CaCO₃, SrCO₃ und BaCO₃ umgesetzt werden, das Gewichtsverhältnis von CaCO₃ : SrCO₃ : BaCO₃ = (5 bis 25) : (25 bis 60) : (30 zu 60) ist.
Nachdem das Nitrat (Salz) umgerührt und in Wasser aufgelöst ist, wird es filtriert, um feste Bestandteile zu entfernen, so dass nur eine wässrige Lösung zurückbleibt. Ferner wird das Material (NH₄)2CO₂H₂O umgerührt und in Wasser gelöst und sodann filtriert, so dass eine wässrige Lösung erhalten wird.
Die wässrige Nitratlösung eines Alkalierdmetalls und die wässrige Lösung des Ammoniumcarbonats werden miteinander einer Reaktion unterworfen, während sie mit einer Hochgeschwindigkeitsdrehzahl von 1000 Umdrehungen oder mehr pro Minute umgerührt und miteinander vermischt werden. Auf diese Weise wird ein Carbonat aus Alkalierdmetall (ternäres Carbonat) hergestellt. Die Reaktion unter Hochgeschwindigkeitsumrühren ermöglicht die Bildung von kleinen Kristallen, weil das Wachstum der Kristalle blockiert wird. Das ternäre Carbonat wird bespült, dehydriert und getrocknet. Auf diese Weise werden Teilchen aus feinem ternären Carbonat hergestellt.

Herstellung des Bindemittels

Das Bindemittel verstärkt die Adhäsion des ternären Carbonats nach der galvanischen Abscheidung. Ein Acrylharz oder ein Celluloseester wird als Bindemittel verwendet. In der vorliegenden Erfindung wurde ein Acrylharz verwendet. Beispielsweise wird das Bindemittel durch Mischen und Trocknen von Acrypet VH (hergestellt von Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) und Acrypet VHK (hergestellt von Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) und dann Auflösen der Mischung in Aceton hergestellt.

Herstellung der galvanischen Lösung

Eine konzentrierte Lösung, die durch Mischen von Carbonat, Bindemitteln, Aceton und Isopropylalkohol bereitet wird, wird vorbereitet und aufgehoben. Bei Verwendung wird das Bindemittel mit einem Lösungsmittel, beispielsweise Aceton, Methylisopropylalkohol oder Isopropylalkohol gemischt, um eine galvanische Mischung zu erzeugen. Auf diese Weise wird die galvanische Lösung vorbereitet.
Verschiedene galvanische Lösungsbestandteile, die auf diese Weise hergestellt wurden, werden in abgestimmter Weise miteinander gemischt, um eine galvanische Lösung mit einem spezifischen Gewicht von 0,8 bis 0,9 herzustellen.

Galvanische Abscheidung

Die galvanische Lösung 71 wird in ein galvanisches Bad gegeben, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Eine positive Gleichspannung (+) wird an die galvanische Lösung 71 angelegt, während eine negative Gleichspannung (-) an den feinen Wolframdraht 51 angelegt wird. Diese Anordnung läuft kontinuierlich durch die galvanische Lösung 71. Gemäß dem Prinzip der Kataphorese können sowohl das ternäre Oxid als auch das Bindemittel galvanisch auf der Oberfläche des Wolframkerndrahtes 51 (Fig. 18 bis 21) abgeschieden werden. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Heizung. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Spule. Die galvanische Lösung 71 in dem Bad 70 wird durch eine Pumpe in Umlauf versetzt und dispergiert, um eine gleichförmige galvanische Abscheidung auf dem Wolframkerndraht 51 zu bewirken.

Zusammenbau

Der Wolframkerndraht 51, der als Kathode dienen soll und auf dem das ternäre Carbonat 52 und das Bindemittel galvanisch abgeschieden sind, wird mit den Fadenankern und den Fadenlagereinrichtungen in der Fluoreszenzanzeigeröhre sicher befestigt und gestreckt. Danach wird der Behälter auf ein Vakuum evakuiert.
Im Endstadium des Evakuierungsverfahrens wird die Kathodenspannung an die Kathode angelegt, um den Wolframkerndraht aufzuheizen, während der Behälter auf Vakuum abgepumpt wird.
Als Resultat wird das ternäre Carbonat, welches auf der Oberfläche des Wolframkerndrahtes abgeschieden ist, thermisch zersetzt. Oxide und Kohlenstoffdioxidgas werden durch die chemische Reaktion (3) erzeugt, während das Kohlendioxidgas abgepumpt wird. Die Oxide von Ba, Sr und Ca werden als Schicht auf der Oberfläche des feinen Wolframdrahtes ausgebildet. Das Bindemittel wird durch thermische Zersetzung in CO₂ umgesetzt, und das CO₂- Gas wird ebenfalls abgepumpt.
Unter Verwendung der galvanischen Lösungen der drei oben genannten Typen, die ein ternäres Carbonat mit 3,0 µm Teilchen, ein ternäres Carbonat mit 2,0 µm Teilchen und ein ternäres Carbonat mit 0,5 µm Teilchen enthalten, werden Fadenkathoden hergestellt, auf denen jeweils ein Oxid mit einer Dicke von 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 µm als Schicht auf einem Wolframkerndraht gemäß der Kataphorese abgeschieden ist.
Da die 3,0 µm Teilchen jeweils eine Korngröße von bis zu 1,15 µm in einer Menge von 10% der Gesamtmenge haben, kann die Dicke der aus der elektronenemittierenden Substanz bestehenden Schicht auf bis zu 1,15 µm eingestellt werden. Da die 2,0 µm Teilchen jeweils eine Korngröße von bis zu 0,2 µm in einer Menge von 10% der Gesamtmenge haben, kann die Dicke der aus der elektroemittierenden Substanz bestehenden Schicht auf bis zu 0,2 µm eingestellt werden. Da die 0,5 µm Teilchen jeweils eine Korngröße von bis zu 0,04 µm in einer Menge von 10% der Gesamtmenge haben, kann die Dicke der die elektronenemittierenden Substanz enthaltenden Schicht auf bis zu 0,04 µm eingestellt werden.
Fluoreszenzanzeigeröhren, in denen die oben beschriebenen Fadenkathoden montiert sind, werden wie folgt hergestellt und bewertet:
Dieselben Bedingungen werden auf die Elemente angewendet, außer auf die Fadenkathoden. Die Fluoreszenzsubstanz, die für die Fluoreszenzschicht verwendet wird, ist eine Fluoreszenzsubstanz ZnO : Zn für die Elektronenstrahlabtastung mit niedriger Rate. Verschiedene runde Muster, die jeweils einen Durchmesser von 4,0 mm haben, werden angeordnet.

Messen des Stromverbrauchs einer Fadenkathode

Fig. 6 zeigt ein Verhältnis zwischen dem Stromverbrauch der Fadenelektrode und der Carbonatschichtdicke. Gemäß Fig. 6 wird eine Spannung an dem Faden angelegt, um eine Temperatur von 645°C an der Oberfläche der Fadenkathode aufrecht zu erhalten, auf der Carbonatteilchen jeweils mit einer mittleren Korngröße von 0,5 µm als Schicht aufgebracht sind. Zu diesem Zeitpunkt werden die Fadenstromwerte gemessen.
Gemäß Fig. 6 steigt der Stromverbrauch proportional zu der Dicke der ternären Carbonatschicht auf, die auf dem feinen Wolframdraht als Schicht aufgetragen ist. Es kann festgestellt werden, dass der Stromverbrauch um so geringer ist, je dünner die Carbonatschicht ist. Indem ein Wolframkerndraht in einer galvanischen Lösung, die ein ternäres Carbonat mit 3,0 µm Teilchen enthält, einer Kataphorese unterworfen wird, werden Fadenkathoden hergestellt, auf denen jeweils eine Oxidschicht mit einer Dicke von 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 µm aufgebracht ist. In diesem Fall kann eine Oxidschicht mit einer Dicke von bis zu 1,15 µm auf dem Wolframdraht aufgebracht werden. Eine Oxidschicht mit einer Dicke von 3 µm oder geringer könnte jedoch nicht gleichmäßig auf dem Wolframdraht aufgebracht werden.
Wenn eine Spannung an der Fadenkathode angelegt wird, um die Oberflächentemperatur auf 645°C zu halten, wird der Fadenstrom gemessen. Auf diese Weise wird der Stromverbrauch der Fadenkathode erhalten. Bis zu einer Korngröße von 3 µm sind die Messergebnisse ähnlich wie bei der Stromverbrauchscharakteristik der Fadenelektroden einer Fluoreszenzanzeigeröhre, die Fadenkathoden verwendet, von denen jede mit einer Oxidschicht mit 0,5 µm Teilchen beschichtet ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist.
Wenn der Wolframkerndraht in einer galvanischen Lösung, die das ternäre Carbonat mit 2,0 µm Teilchen enthält, einer Kataphorese unterzogen wird, werden Fadenkathoden hergestellt, von denen jede eine Oxidschicht in einer Dicke von 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 µm beschichtet ist. Wenn jedoch die Dicke der Oxidschicht 2 µm oder weniger beträgt, wird die Oxidschicht nicht gleichförmig auf dem Wolframdraht aufgetragen.
Wenn eine Spannung an die Fadenkathode angelegt wird, um die Oberflächentemperatur derselben bei 645°C zu halten, wird der Fadenstrom gemessen. Auf diese Weise wird der Stromverbrauch der Fadenkathode gemessen. Bis zu einer Korngröße von 2 µm im Durchmesser sind die Messresultate ähnlich wie die Stromverbrauchscharakteristik der Fadenkathode einer Fluoreszenzanzeigeröhre, die Fadenkathoden verwendet, auf denen jeweils eine Oxidschicht von 0,5 µm Teilchen abgeschieden ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist.

Messung des Fadensättigungsstromes

Bei denselben Messproben wird die Fadenkathode bei einer Oberflächentemperatur von 377°C gehalten. Der Fadenstrom wird auf einem festen Wert gehalten. Die Gitterspannung und die Anodenspannung ist jeweils 100 V Gleichspannung. Die Pulsbreite ist 100 µs. Das Tastverhältnis Du ist 1/300. Die Messungen der Sättigungs-Fadenstromwerte unter diesen Bedingungen sind in Fig. 7 gezeigt.
Mit 3,0 µm ternären Oxidteilchen (A) fällt der Fadensättigungsstrom eines ternären Oxidfilms mit einer Dicke von 4 µm auf etwa 85% oder weniger des Fadensättigungsstromes eines ternären Oxidfilms ab, der eine Dicke von 6,5 bis 7,5 µm hat. Ein Fadensättigungsstrom eines ternären Oxidfilms mit 3 µm fällt auf etwa 77% oder weniger ab. Ein Fadensättigungsstrom eines ternären Oxidfilms mit 2 µm fällt auf etwa 50% oder weniger ab. Daher ist ein ternärer Oxidfilm mit einer Dicke von 4,0 µm oder geringer für die praktische Wendung nicht geeignet.
Mit 2,0 µm ternären Oxidteilchen (B) ist der Fadensättigungsstrom eines ternären Oxidfilms mit einer mittleren Dicke von 3 µm etwa 100% des Fadensättigungsstromes des ternären Oxidfilms mit einer Dicke von 6,5 bis 7,5 µm. Der Fadensättigungsstrom eines ternären Oxidfilms mit einer Dicke von 2 µm fällt auf etwa 77% oder weniger ab. Es ist schwierig, eine ternäre Oxidschicht mit einer mittleren Dicke von 2 µm oder weniger im praktischen Gebrauch einzusetzen. Eine ternäre Oxidschicht mit einer mittleren Dicke von 3,0 µm oder mehr kann jedoch in der praktischen Anwendung eingesetzt werden.
Mit 0,5 µm ternären Oxidteilchen (C) ist der Fadensättigungsstrom eines ternären Oxidfilms mit einer Dicke von 4 µm etwa 100% des Fadensättigungsstroms eines ternären Oxidfilms, der eine Dicke von etwa 6,5 bis 7,5 µm hat. Der Fadensättigungsstrom an einem ternären Oxidfilm mit einer Dicke von 2 µm ist 100% des Fadensättigungsstroms des ternären Oxidfilms mit einer Dicke von 6,5 bis 7,5 µm. Der Fadensättigungsstrom bei einem ternären Oxidfilm mit einer Dicke von bis zu 1 µm ist 92%. Wie aus Fig. 9 zu ersehen ist, wie die Charakteristik des Restverhältnisses des Sättigungsstromes zeigt, kann bei einer Schichtdicke von bis zu 1,0 µm eine gute Charakteristik des Restverhältnisses des Fadensättigungsstromes erwartet werden im Vergleich zu den Charakteristiken bei der herkömmlichen Fluoreszenzanzeigeröhre.
Wie oben beschrieben wurde, können feine Carbonatteilchen mit höherer Dichte auf dem Wolframkerndraht abgeschieden werden, und sie können einen ausreichenden Fadensättigungsstrom liefern. Daher kann festgestellt werden, dass das ternäre Carbonat in einer dünnen Schicht ausgebildet werden kann.
Fluoreszenzanzeigeröhren, in denen Fadenkathoden, die jeweils mit einem Carbonat beschichtet sind, montiert sind, werden hergestellt. Das Carbonat hat eine mittlere Korngröße von 0,5 µm, 2,0 µm oder 3,0 µm. Das Carbonat wird so aufgetragen, dass es eine Schichtdicke von 0,5 µm, 1,0 µm, 2,0 µm, 3,0 µm oder 4,0 µm hat. Jede Fadenkathode wird auf einer Oberflächentemperatur von 377°C gehalten. Der Fadenstrom wird auf einem festen Wert gehalten. Die Gitterspannung und die Anodenspannung werden jeweils auf 100 V Gleichspannung gehalten. Die Pulsbreite wird auf 100 µs eingestellt. Das Tastverhältnis Du wird auf 1/300 eingestellt. Unter diesen Bedingungen werden die Fadenstromwerte gemessen. Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung, bei der die Fadenstrommessungen im Vergleich zu solchen Messungen einer Fluoreszenzanzeigeröhre aufgetragen sind, die Fluoreszenzkathoden hat, von denen jede eine Carbonatschicht mit einer Dicke von 8,0 µm hat.
Es kann gefolgert werden, dass eine weitere Herabsetzung der mittleren Korngröße des Carbonats es ermöglicht, dass die Carbonate mit hoher Dichtigkeit auf den Wolframkerndraht abgeschieden werden und dass ein ausreichender Fadensättigungsstrom geliefert wird. Die brauchbare Lebensdauer einer Fluoreszenzanzeigeröhre hängt von der Helligkeits-Restrate zu einer anfänglichen Helligkeit ab. Da jedoch die Lebensdauer weitgehend auf der Restrate des Sättigungsstroms einer Fadenkathode in einer Fluoreszenzanzeigeröhre beruht, kann eine längere brauchbare Lebensdauer erwartet werden als bei Fluoreszenzröhren nach dem Stand der Technik.
Daher kann die Dicke der ternären Oxidschicht ausgedünnt werden. Es wird festgestellt, dass, wenn die mittlere Korngröße 3 µm übersteigt, die Carbonatschicht nicht dünn gemacht werden kann.

Messung der Restrate des Sättigungsstroms

In Bezug auf dieselben Messproben zeigt Fig. 9 die Änderungen der Restrate des Sättigungsstroms. Gemäß Fig. 9 wird eine Spannung an die Fadenkathode angelegt, um die Oberflächentemperatur davon auf 645°C einzustellen. Die Fluoreszenzsubstanz, die als Fluoreszenzschicht verwendet wird, entspricht der Fluoreszenzsubstanz ZnO : Zn für die Elektronenstrahlabtastung mit geringer Rate. Die Fluoreszenzanzeigeröhre wird während 1000 Stunden kontinuierlich auf Emission eingestellt unter den Bedingungen, bei denen runde Muster jeweils einen Durchmesser von 4,0 mm haben und das Licht bei 1000 (cd/m²) emittiert wird.
Die Kurve (A) zeigt die Verhältnisse des Sättigungsstroms in der Zeit zu einem anfänglichen Sättigungsstrom, wenn eine Fluoreszenzanzeigeröhre mit herkömmlichen Fadenkathoden (den 3,0 µm Teilchen in einer Schichtdicke von 8 µm aufgetragen sind) kontinuierlich während 1000 Stunden auf Leuchtbetrieb geschaltet war.
Die Kurve (B) zeigt die Verhältnisse des Sättigungsstroms in der Zeit zu einem anfänglichen Sättigungsstrom, wenn eine Fluoreszenzanzeigeröhre mit Fadenkathoden (von denen jede mit 2,0 µm Teilchen in einer Dicke von 3 µm beschichtet war) gemäß der vorliegenden Erfindung kontinuierlich für 1000 Stunden auf Leuchtbetrieb eingestellt war.
Die Kurve (C) zeigt die Verhältnisse der Sättigungsstroms in der Zeit zu einem anfänglichen Sättigungsstrom, wenn eine Fluoreszenzanzeigeröhre mit Fadenkathoden (von denen jede mit 0,5 µm Teilchen in einer Schichtdicke von 1 µm beschichtet war) entsprechend der Erfindung kontinuierlich während 1000 Stunden auf Leuchtbetrieb eingestellt war.
Diese Kurven zeigen, dass ein Elektronenemissionsmaterial, das mit hoher Dichte und dünn auf einer Fadenkathode aufgeschichtet ist, eine gute Sättigungsstromrate liefert.
Die nutzbare Lebensdauer einer Fluoreszenzanzeigeröhre hängt von der Helligkeitsrestrate zu einer anfänglichen Helligkeit ab. Die Sättigungsstrom-Restrate einer Fadenkathode einer Fluoreszenzanzeigeröhre dient als Faktor für die nutzbare Lebensdauer. Folglich kann eine nutzbare Lebensdauer erwartet werden, die länger ist als die bei dem Stand der Technik.
Der Zustand der ternären Carbonate, die auf dem Wolframkerndraht bei Fadenkathoden gemäß der vorliegenden Erfindung als Schicht aufgebracht sind, werden unter einem Elektronenmikroskop betrachtet.
Fig. 10 zeigt ein SEM-Bild (SEM = scanning electron microscope) mit einer 1000- fachen Elektronenmikroskopvergrößerung, in dem ein elektronenemittierendes Material von 0,5 µm Teilchen mit einer mittleren Dicke von 2,5 µm auf einem Wolframkerndraht mit 24,5 µm Durchmesser als Schicht aufgetragen sind. Fig. 12 zeigt ein SEM-Bild mit einer 3000-fachen Elektronenmikroskopvergrößerung, in dem ein Elektronenemissionsmaterial von 0,5 µm Teilchen mit einer mittleren Schichtdicke von 2,5 µm auf einem φ Wolframkerndraht mit einem Durchmesser von 24,5 µm aufgetragen ist.
Diese Bilder zeigen, dass das elektronenemittierende Material gleichförmig als Schicht ausgebildet ist.
Fig. 18 ist eine schematisches Darstellung, das den oben beschriebenen Zustand zeigt. Es wird angenommen, dass das feinverteilte, ternäre Carbonat, das auf einem Wolframkerndraht als Schicht aufgebracht ist, eine große Kontaktfläche liefert und effektiv Elektronen emittiert. Fig. 18 zeigt eine einzige, ternäre Carbonatschicht. Es wird jedoch angenommen, dass eine Mehrfachschicht aus ternärem Carbonat die Elektronen mit noch größerem Wirkungsgrad emittiert.
Fig. 12 zeigt ein SEM-Bild mit einer 1000-fachen Elektronenmikroskopvergrößerung, in dem ein elektronenemittierendes Material von 0,5 µm Teilchen als Schicht mit einer mittleren Schichtdicke von 4,0 µm auf einem Wolframkerndraht mit 24,5 µm Durchmesser aufgetragen ist. Fig. 13 zeigt ein SEM-Bild mit einer 3000-fachen Elekronenmikroskopvergrößerung, bei dem ein elektronenemittierendes Material von 0,5 µm Teilchen als Schicht mit einer mittleren Schichtdicke von 4,0 µm auf einen Wolframkerndraht mit 24,5 µm Durchmesser aufgetragen ist. Diese Mikroskopbilder zeigen, dass das elektronenemittierende Material gleichförmig als Schicht aufgetragen ist.
Es gibt keine schematische Darstellung für die oben genannten Zustände. Es kann jedoch angenommen werden, dass das feine ternäre Carbonat, das als Schicht auf einem Wolframkerndraht aufgetragen ist (wie in Fig. 18 gezeigt ist), einen großen Kontaktbereich liefert und Elektronen mit hohem Wirkungsgrad emittiert.
Fig. 14 zeigt ein SEM-Bild mit einer 1000-fachen Elektronenmikroskopvergrößerung, bei dem ein elektronenemittierendes Material von 2,0 µm Teilchen als Schicht mit einer mittleren Schichtdicke von 4 µm auf einem Wolframkerndraht mit 24,5 µm Durchmesser aufgetragen ist. Fig. 15 zeigt ein SEM-Bild mit einer 3000-fachen Elektronenmikroskopvergrößerung, bei dem ein elektronenemittierendes Material von 2,0 µm Teilchen als Schicht in einer mittleren Schichtdicke von 4 µm auf einem Wolframkerndraht mit 24,5 µm Durchmesser aufgetragen ist.
Das SEM-Bild mit der 1000-fachen Elektronenmikroskopvergrößerung zeigt eine beachtliche rauhe Oberfläche des emittierenden Materials. In dem SEM-Bild mit der 3000-fachen Elektronenmikroskopvergrößerung ist der vorstehende Teil ein großes Teilchen, und der niedrig verlaufende Teil ist mit feinen elektronenemittierenden Materialien gefüllt.
Fig. 19 ist eine schematische Darstellung, welche den oben genannten Zustand zeigt. Das ternäre Carbonat ist grober als das Carbonat aus 0,5 µm Teilchen, das in Fig. 18 gezeigt ist. Es wird angenommen, dass das grobe ternäre Carbonat, welches auf dem Wolframkerndraht als Schicht abgeschieden ist, einen großen Kontaktbereich liefert und Elektronen mit hohem Wirkungsgrad emittiert.
Fig. 16 zeigt ein SEM-Bild mit einer 1000-fachen Elektronenmikroskopvergrößerung, bei dem ein herkömmliches, elektronenemittierendes Material von 3,0 µm Teilchen als Schicht mit einer mittleren Schichtdicke von 6,5 µm auf einem Wolframkerndraht mit 24,5 µm Durchmesser aufgetragen ist. Fig. 17 zeigt ein SEM-Bild mit einer 3000-fachen Elektronenmikroskopvergrößerung, bei dem das elektronenemittierende Material von 3,0 µm Teilchen als Schicht mit einer mittleren Schichtdicke von 6,5 µm auf einem Wolframkerndraht mit 24,5 µm Durchmesser aufgetragen ist.
Wie in Fig. 20 gezeigt ist, wird der Kontaktbereich eines Wolframkerndrahtes mit einer einschichtigen, ternären Carbonatschicht von 3,0 µm Teilchen kleiner. Indem jedoch eine Vielschichtstruktur genommen wird, können selbst 3,0 µm Teilchen von ternärem Carbonat gleichförmig als Schicht aufgebracht werden, wie in Fig. 21 dargestellt ist.
Wie oben beschrieben wurde, kann eine weitere Reduzierung der mittleren Korngröße des ternären Carbonats dazu führen, dass das ternäre Carbonat auf dem Wolframkerndraht gleichförmiger als Schicht aufgebracht wird. Auf diese Weise kann eine Farbkathode mit kleinerem Stromverbrauch erhalten werden.
Darüber hinaus kann der Stromverbrauch bei der Fluoreszenzanzeigeröhre, die diese Fadenkathoden verwendet, reduziert werden.
Im Vergleich zu einem herkömmlichen Carbonat mit Teilchen, die eine Korngröße von 6,5 bis 7,5 µm haben, kann eine Schicht aus elektronenemittierendem Material mit einer Schichtdicke von 3 µm den Kathodenstromverbrauch auf 70% reduzieren, und eine Schicht aus elektronenemittierendem Material mit einer Schichtdicke von 2 µm kann den Kathodenstromverbrauch auf 60% reduzieren, und eine Schicht aus elektronenemittierendem Material mit einer Schichtdicke von 1 µm kann den Kathodenstromverbrauch auf 50% reduzieren.
Die Verminderung des Stromverbrauchs einer Fluoreszenzanzeigeröhre, die durch die Verwendung der Fadenelektroden der vorliegenden Erfindung herbeigeführt wird, trägt in hohem Maße zu dem neuerlichen Erfordernis der Energieeinsparung bei.
Darüber hinaus ist der Sekundäreffekt bei der Reduzierung der Korngröße des Carbonats, das als Schicht aufgetragen wird, der, dass Gase (beispielsweise CO₂), die während der Zersetzung des Carbonats erzeugt werden, reduziert werden können. Dies trägt zu einer Erhöhung des Vakuums in der Fluoreszenzanzeigeröhre und zu einer großen Verbesserung der Zuverlässigkeit der Fluoreszenzanzeigeröhre bei.

Claims

1. Direkt beheizte Oxidkathode, bei der eine Schicht aus elektronenemittierendem Material auf einer Oberfläche eines Kernmetalldrahtes aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronenemittierende Material eine Dicke von 0,5 µm bis 4,0 µm hat.

2. Direkt beheizte Oxidkathode, bei der eine Schicht aus elektronenemittierendem Material auf einer Oberfläche eines Kernmetalldrahtes aufgebracht ist, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronenemittierende Material eine feste Lösung ist, die aus Oxidkristallkörnern mit einer mittleren Korngröße von wenigstens 0,1 µm bis 2,0 µm gebildet ist.

3. Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronenemittierende Material aus Oxidkristallkörnern aus Carbonatteilchen besteht.

4. Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernmetalldraht ein Wolframkerndraht oder ein Kerndraht aus einer Rhenium-Wolfram- Legierung ist.

5. Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronenemittierende Material ein ternäres Oxid aufweist, das wenigstens aus Barium, Strontium und Calcium gebildet ist.

6. Kathode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronenemittierende Material ein ternäres Oxid aufweist, in dem das Gewichtsverhältnis von Barium, Strontium und Calcium wenigstens Ca : Sr : Ba = (5 bis 25) : (25 bis 60) : (30 bis 60) beträgt.

7. Fluoreszenzanzeigeröhre, die als permionische Quelle eine direkt beheizte Oxidkathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.