KR0144050B1 - 함침형 음극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 함침형 음극에 관한 것으로 음극으로 고온 동작으로 인한 문제점중의 하나인 Ba/BaO 과다 증발문제를 해결하고 내피독성, 장수명, 짧은 에이징시간, 고신뢰도의 함침형 음극을 제공하기 위하여 다공성 펠렛과 그 위에 피복층을 구비하는 함침형 음극에 있어서, 상기 펠렛은 Y,Ir,Os,Ru,Re 및 이들의 합금중 적어도 1종 이상의 금속분말과 W,Mo,Ta 및 이들의 합금중 적어도 1종 이상의 금속분말에 Sc₂O₃와 Si, Mg 혹은 Zr을 혼합하여 최소한 제2펠렛의 기공율 보다 낮게 압축 소결한 성형체에 Ba존재비가 제2펠렛 보다는 낮은 함침재를 함침시킨 제1펠렛과 W,Mo,Ta 및 이들의 합금중 적어도 1종 이상의 금속분말과 Ir 혹은 Os 금속 분말의 혼합하여 기공율이 상기 제1 펠렛보다는 높게 압축 소결한 성형체에 Ba존재비가 상기 제 1펠렛 보다 높은 함침재를 함침시킨 제2 펠렛으로 서로 다른 두층의 다공성 펠렛으로 하고, 상기 피복층은 Ir,Os,Ru,Re,Mo/Os,Ir/Ta,W/Re 및 이들의 합금중 적어도 1종 이상의 금속이 피복상부로부터 고밀도로하여 피복하부로 가면서 연속적으로 저 밀도가 되도록 피복된 것을 특징으로 하는 함침형 음극을 구성하여서 된 것이다.

Description

함침형 음극

제 1도는 종래의 함침형 음극 구조도.

제 2도는 본 발명의 함침형 음극 구조도.

제 3도는 다른 실시예의 함침형 음극 구조도.

제 4도는 함침형 음극의 시간대별 Ba증발량 비교 그래프.

제 5도는 함침형 음극의 시간대별 Ba증발률 비교 그래프.

제 6도는 함침형 음극의 활성화 시간과 포화 전류밀도 비교 그래프.

제 7도는 함침형 음극의 전류밀도 비교 그래프.

제 8도는 함침형 음극의 시간대별 전압변화율 비교 그래프.

제 9도는 함침형 음극의 Ar에 대한 이온 충격내성 비교 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 펠렛 1a,1c : 제1펠렛

1b,1d : 제2펠렛 2,2a : 저장컵

3 : 슬리브 5,5a : 피복층

본 발명은 함치형 음극에 관한 것으로 음극의 고온 동작으로 인한 문제점 중의 하나인 Ba/BaO 과다 증발문제를 해결하고 내피독성, 장수명, 짧은 에이징시간, 신뢰성이 높은 함침형 음극을 제공하기 위한 것이다.

일반적인 함침형 음극은 제1도와 같이 복합다공성 금속기체인 펠렛(1), 이 다공성 펠렛(1)을 수용하는 컵(2), 히터(4)를 보유하고 저장컵(2)을 지지하는 슬리브(3), 그리고 피복층(5)으로 이루어지면서 다공질의 텅스텐에 BaO,CaO,Al₂O₃로된 전자방사물질을 함침시킨 것으로 위성 탑재용 진행파관, 클라이스트론, 촬상관, 브라운관 등에서 고전류 밀도 동작과 장수명이 요구되는 고신뢰성의 전자관의 심장부인 캐소드에는 함침형 음극이 사용되고 있다.

캐소드 표면에 Os,Os-Ru 혹은 Ir등의 백금속 금속을 피복시킨 함치형 캐소드는 보통 M타입이라고 불린다.

일본국 특공소 47-21343호에 소개된 기술내용에 의하면 이 금속을 캐소드 표면에 피복하는 것에 의해 캐소드 표면의 일함수를 낮추어 열전자 전류를 많이 취출하는 것이 가능하며 또한 동작온도를 50∼100℃로 낮추어 동작 시키는 것이 가능한 것으로 알려져 있다.

Os-Ru를 피복시킨 것은 시간이 경과함에 따라 코팅층이 합금화에 의해 서서히 변질되어 에미션 특성의 변동을 초래한다.

반면에 Ir을 피복시킨 것은 피복층(5)을 합금화 처리하는 것에 의해 안정된 합금층이 형성되어 에미션이 장시간동안 안정되게 취출되는 것으로 알려져 있다.

또한 복합 다공질 급속기체인 페렛의 제조 공정은 3∼8㎛인 W, Mo, Ir, Ta등의 분말을 충분히 혼합하여 적당한 압력으로 프레스 성형한 후 진공 혹은 수소중에서 1700∼2000℃정도를 30분∼180분 동안 소결하여 15∼30%의 기공율을 갖도록 하면 만족할만한 펠렛을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.

한편, 전자관의 캐소드에서 승화된 증발 물질은 그리드에이션, 전기누설, 2차방사, RF손실등을 발생시켜며, 튜브 특성을 변하게 할 수 있다.

바륨 비스펜서 캐소드의 만족할만한 동작온도에서 바륨증발은 필연적이며, 활성방사표면을 유지하기 위하여 최소증발율이 요구되어지는 것은 명백하다.

캐소드의 수명은 잠재적으로 유용한 바륨의 양에 제한되며, 이 캐소드가 사용되는 튜브의 수명은 동작특성에 변화를 일으키는 증발 물질에 의해 짧아진다.

따라서, 바륨함침형 캐소드의 증발율이 전체성능이 평가되기 전에 결정 되어야 한다.

함침형 캐소드의 기본적인 특징은 수명초기의 증발율의 감소현상이며, 이는 캐소드표면에 남아 있는 함침재, 혹은 바륨의 빠른 생성율 때문으로 볼 수 있다.

증발율은 수명의 함수로 급속히 떨어지며, 동작온도가 높으면 높을수록 감소율은 증가한다.

이에 대하여 미국특허 제 4,417,173호에 소개된 음극구조는 음극의 동작온도를 낮출 수 있도록 Os, Os합금 또는 Ir등으로 된 얇은 코팅층이 형성된 함침형 디스펜서 음극을 형성하고 있는데, 동작온도가 낮아진 반면에 수명이 짧은 문제가 있다.

또한 미국특허 제 4,823,044호에 의하며, 다공성 금속기체(펠렛)에 Os, Ir, Re, Ru 및 W 등을 정량포함시킴으로써 비교적 안정된 전자 방사 특성, 저렴한 제조비용, 10A/㎠ 이상의 고전류 밀도를 가질 수 있다고 되어 있으나, 동작온도가 1000∼1100℃정도로 높아 캐소드 부품의 열변형 및 과다 Ba/BaO 증발을 초래 할 수 있다.

산화물 음극의 활성화 공정에서 음극은 약 1000℃정도까지 가열되며 이 고온 가열시에는 음극으로부터 증발된 바륨은 주변의 부품에 비산증착하여 스트레이(Stray)에미션의 원인이 된다.

그 중에서 밀접한 음극에 근접한 G₁,G₂의 공정에 음극에서 증발한 Ba/BaO가 증착하며 G₁,G₂등은 음극으로 부터의 복사열 혹은 전도열에 의한 가열로 고온이 되고, 이열로 인해 증착 Ba/BaO로부터 미약하지만 그리드에미션을 생기게 한다.

함침형 음극은 에이징 조건이 1200℃ 정도, 동작온도는 1000℃정도로 높기 때문에 산화물 음극보다 문제는 더 심각하다.

또한 음극선관 사용중에 음극으로부터 증발하는 Ba/BaO는 G₁공경에 증착해서 음극-G₁의 간격을 좁히는 동시에 G₁공경을 작게하며 이 현상은 음극선관의 수명기간중 계속된다.

그 결과 시간경과에 따라 Cut-off 전압은 높게 되고 빔 전류는 감소해서 휘도가 저하되간다.

한편, 함침형 음극의 표면은 튜브제작중의 봉지와 배기동안에 열적산화에 의한 전자방사 표면의 열화를 받기 쉬우며 또한 음극선관의 수명기간 중에도 튜브내의 잔류가스는 집속전극에 인가되는 10KV전후의 고전압, 혹은 30KV전후의 형광면 전압에 의해 이온화 되기 때문에 이온충격에 의한 에미션 열화는 피할 수 없는 문제로 된다.

또한 함침형 음극이 적용되는 음극선관은 짧은 에이징 시간이 요구되지만 보통 장시간이 소요되어 대량생산에 적합하지 않은 문제점이 있다.

본 발명의 목적을 종래 함침형 음극의 문제를 감안하여 저온 동작하에서도 고전류밀도가 가능하며, Ba/BaO과다 증발문제와 이온충격과 피독문제를 해결하며 짧은 에이징 시간과 신뢰성 높은 함침형 음극을 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 함침형 음극은 펠렛 및 피복층을 구비하는 함침형 음극에 있어서, Y,Ir,Os,Ru,Re 및 이들의 합금으로 이루어진 금속분말 및 Y,Zr,Os,Ru,Re 금속분말과 Sc₂O₃와 Si,Mg 혹은 Zr을 혼합하여 기공율이 11∼17 부피%가 되도록 압축, 소결한 성형체에 χ BaO : 1CaO : 1A1₂O₃몰비의 함침재를 함침 시키고 χ가 2∼3을 가지는 제1펠렛과,

W,Mo,Ta 및 이들의 합금으로 이루어진 금속분말과 Ir,Os 금속분말을 혼합하여 기공율이 18∼30 부피%가 되도록 압축, 소결한 성형체에 x BaO : 1CaO : 1Al₂O₃혹은 χ BaO : 3CaO : 21Al₂O₃몰비의 함침재를 시킬 때 χ가 4∼6을 가지는 제 2펠렛으로 되는 서로다른 두층을 가지는 펠렛으로 하고, 상기 피복층은 Ir,Os,Ru,Re,Mo/Os,Ir/Ta.W/Re를 밀도범위가 5∼22g/㎠내에서 피복 상부로부터 고밀도로 하여 피복하부로 가면서 연속적으로 저밀도가 되도록 스퍼터링 조건을 변화시키면서 피복시켜 상기의 이온충격 및 피복문제를 해결할 수 있도록 하는 점에 특징이 있다.

제 2도는 본 발명의 함침형 음극의 단면 구조로써 슬리브(3), 이 슬리브(3)에 내장되는 히터(4), 다공질 금속기체를 저장하는 저장컵(2a), 그리고 피복층(5a)의 구성을 갖고 상기 저장컵(2a)에는 복합다공질 금속 기체인 제 1펠렛(1a)과 제 2펠렛(16)이 수용된다.

제1펼렛(1a)은 Y,Ir,Os,Ru,Re의 금속분말과 W,Mo,Ta 및 이들의 합금으로 이루어진 금속분말과 Sc₂O₃와 Si, Mg 혹은 Zr을 혼합한 후 제 1 펠렛(1a)의 총 부피에 대하여 공공부가 11∼17부피%가 되도록 압축, 소결한 성형체에 전자방사 물질을 함침시킬 때 χ BaO : 1CaO : 1Al₂O₃몰비에서 χ의 범위를 2∼3이 되도록 다공성으로 만든다.

제2펠렛(1b)은 Ir,Os 금속분말과 W,Mo,Ta 및 이들의 합금으로 이루어진 금속분말을 혼합한 후 제2펠렛 총부피에 대하여 공공부가 18∼30 부피%가 되도록 압축, 소결한 성형체에 전자방사 물질을 함침 시킬 때 χ BaO : 1CaO : 1Al₂O₃혹은 χ BaO : 3CaO : 2Al₂O₃몰비에서 χ의 범위를 4∼6이 되도록 만들어진 다공성으로 만든다.

상기 피복층(5a)은 Ir,Os,Ru,Re,Mo/Os,Ir/Ta,W/Re를 스퍼터링 하여 제1펠렛(1a) 표면에 피복시킬 때 상기 피복물질의 밀도가 5∼22g/㎤ 범위내에서 피복상부를 고밀도로 하여 연속적으로 밀도가 낮아지면서 피복하부가 저밀도가 되도록 형성한다.

본 발명의 다른 실시예로 제3도와 같이 제1펠렛(1c)이 제2펠렛(1d)위에 장착되는 구조에 있어서, 풍부한 Ba생성을 꾸준히 제1펠렛(1c)에 공급하기 위하여 제 2펠렛(1d)표면의 가장자리에서부터 중앙부를 향하여 함몰되도록 형성하여 이 함몰 부분에 제1펠렛(1c)이 장착되도록 한 것에 특징이 있다.

피복층(5a)피복상부에서 피복하부로 갈수록 고밀도에서 저밀도로 연속적인 밀도 분포를 갖도록 피복시키는 것과 제1펠렛(1c)과 제2펠렛(1d)의 조성성분 및 기공율, 함침재비등이 전기 실시예의 제1펠렛(1c)과 제2펠렛(1d)의 그것과 같다.

이와같은 구성을 갖는 본 발명의 함침형 음극은 제1펠렛(1c)의 기공율을 제2펠렛(1d)의 기공율보다 작게 만들면서 힘참재 중의 Ba 존재비를 2.5∼3.0 정도로 낮게 유지하여 Ba/BaO 증발을 억제하며, 제1펠렛(1c)에서 부족한 Ba의 생성은 제2펠렛(1d)의 큰 기공율과 높은 Ba존재비가 보충해 줄 수 있다.

일반적으로 함침재중의 Ba존재비를 낮게할 때 Ba의 증발을 억제할 수 있으며, 그리고 음극선관에서는 0.5∼1시간 정도의 에이징 시간이 요구되기 때문에 펠렛의 공급부가 가능한한 많은 것이 바람직하다.

또한 제1펠렛(1a)에 Mg,Si와 Sc₂O₃를 첨가함으로써, 산화물 음극 동작온도인 700∼800℃에서 기존 함침형 음극의 Ba 생성결합을 보충해 주기 때문에 함침형 음극의 단점인 고온동작(1000℃)을 저온동작에서 가능하게 해준다.

따라서 제 1 펠렛(1a)은 Ba/BaO의 낮은 증발비, 저온 동작에 기여하며 제 2 펠렛(1b)은 짧은 에이징시간, 풍부한 Ba를 생성시키는 역할을 한다.

한편, 저밀도를 가진 피복층은 좋은 에이션 특성을 보이나 피독 및 이온 충격에 약하다.

반면 고밀도를 가진 피복층은 표면에서만 투브내의 잔류가스 및 이온과 반응하기 때문에 에미션 특성에 영향을 끼치지 않아 피독 및 충격에 유리하다.

그러므로 캐소드 표면에 고밀도의 박막 피복층의 형성은 피복층 내부로의 반응을 막아 주는데 효과적인 역할을 한다.

피복상부의 밀도가 피복하부의 밀도보다 1.3배 이상이고 피복두께의 제한 때문에 피복상부의 밀도는 피복하부의 밀도보다 3.3배이상으로 만들기가 어렵다.

피복물질의 밀도은 5∼22g/㎤범위내로 유지하야야 하며 스퍼터링 조건을 변화 시켜 상부에서 하부로 갈수록 고밀도에서 저밀도로 연속적인 즉, 층을 형성하지 않은 밀도분포를 갖도록 피복시킨다.

스퍼터링 타겟은 Ir,Os,Ru,Re,Mo/Os,Ir/Ta,W/Re등을 사용할 수 있으나, Ba/BaO 증발율 감소를 위해서는 Ir을 사용하는 것이 유리하다.

또한 피복층의 조성 및 밀도는 플라즈마분광기 및 χ-ray 분광기를 사용하며, 스퍼터링 조건을 변화 시킬 때 스퍼터링 장치에서 챔버안의 Ar압력과 출력 Power를 이용한다.

이와같이 조성된 제1펠렛(1a) 및 제2펠렛(1b)을 저장컵(2a)내에 내장하고 제1펠렛(1a)의 측면뷰와 저장컵(2a)의 상부를 레이저 용접이나 전기용접으로 용접하고 고정시킨후 슬리브(3) 상부에 끼운채 레이저 용접 및 전기용접으로 용접하여 고정시켜 줌으로써 다공성 기체인 펠렛의 형성을 완료한다.

한편, 본 발명의 함침형 음극구조를 : A, 종래의 함침형 음극구조를 : B라 할 때,

서로 다른 두 함침형 음극의 특성을 비교그래프를 통해 살펴보면 제4도와 같이 본 발명의 함침형 음극은 종래의 Os, Ir을 피복한 함침형 음극보다 동작온도 980°Cb에서 Ba증발량이 적다.

그리고 마찬가지로 시간이 경과함에 따라 본 발명의 함침형 음극이 종래의 함침형 음극에 비해 Ba증발율이 균일하고 안정된다는 것을 제 5도에서 알 수 있다.

제6도는 활성화 시간대별 포화전류 밀도를 나타낸 것으로 본 발명의 함침형 음극은 1∼2시간 이내에 활성화가 이루어지며 또한 제7도에서는 본 발명의 함침형 음극이 저온 동작화가 가능함을 입증해 준다.

제 8도는 시간대별 cut-off전압 변화율을 나타낸 것으로 종래의 함침형 음극은 10%내에서 변화폭을 보이나 본 발명은 이보다 낮은 5%이내의 변화폭을 보인다.

제 9도는 본 발명의 피복층(5a)이 Ar이 이온충격에 대하여 종래의 피복층보다 강한 것임을 보여준다.

또한 제 3도와 같이 제2 펠렛(1d)표면의 가장자리에서 중앙부를 향하여 경사지게 함몰되도록 형성하여 주는 것에 의해 제2펠렛(1d)의 풍부한 Ba생성을 꾸준히 제 1 펠렛(1c)에 공급할 수 있다.

이와같이 본 발명의 함침형 음극은 공극률과 함침재비가 다른 두층의 다공성 펠렛과, 펠렛위의 코팅층의 밀도가 연속적으로 다른 밀도 분포의 구조를 갖도록 하여 종래의 함침형 음극에 비해서 약 130℃ 저온에서 동작할 수 있는 특성을 얻을 수 있었으며 10²∼10³시간(h)에서 Ba/BaO 증발율을 2∼3배 저하 시킬 수 있었다.

또한 1∼2시간내에 활성화가 이루어지는 것을 가능하게 하였으며, cut-off 전압 변화율을 5% 이내로 대폭저하 시켰고 뿐만 아니라 음극선관 튜브내의 잔류가스에 의한 피독이나 이온 충격에 강한 특성을 얻었다.

따라서 본 발명의 함침형 음극은 종래의 함침형 음극의 문제점인 고온동작 Ba/BaO 과다증발, 긴 활성화 시간, 큰폭의 cut-off 전압변화율, 피독 및 이온충격등의 문제점을 동시에 해결하여 장수명 신뢰성이 높은 함침형 음극을 제공함으로써 고휘도 및 고해상도의 초대형브라운관, HDTV에 적용할 수 있다.

Claims (8)

1. 다공성 펠렛과 그 위에 피복층을 구비하는 함침형 음극에 있어서, 상기 펠렛은 Y,Ir,Os,Ru,Re 및 이들의 합금중 적어도 1종 이상의 금속분말과 W,Mo,Ta 및 이들의 합금중 적어도 1종 이상의 금속분말에 Sc₂O₃와 Si, Mg 혹은 Zr을 혼합하여 최소한 제2펠렛의 기공율 보다 낮게 압축 소결한 성형체에 Ba존재비가 제 2펠렛 보다는 낮은 함침재를 함침시킨 제1펠렛과, W,Mo,Ta 및 이들의 합금중 적어도 1종 이상의 금속분말과 Ir 혹은 Os 금속 분말의 혼합하여 기공율이 상기 제1펠렛 보다는 높게 압축 소결한 성형체의 Ba존재비가 상기 제1펠렛보다 높은 함침재를 함침시킨 제2펠렛으로 서로 다른 두층의 다공성 펠렛으로 하고, 상기 피복층은 Ir,Os,Ru,Re,Mo/Os,Ir/Ta.W/Re 및 이들의 합금중 적어도 1종 이상의 금속이 피복상부로부터 고밀도로 하여 피복하부로 가면서 연속적으로 저밀도가 되도록 피복된 것을 특징으로 한는 함침형 음극
2. 제1항에 있어서, 제1펠렛의 기공율이 제1펠렛의 총부피의 대해 11∼17 부피%임을 특징으로 하는 함침형 음극
3. 제1항에 있어서, 제2펠렛의 기공율이 제2펠렛의 총부피에 대해 18∼30부피%임을 특징으로 하는 함침형 음극
4. 제1항에 있어서, 1펠렛의 함침재는 (2∼3) BaO : 1CaO : 1Al₂O₃몰비임을 특징으로 하는 함침형 음극
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 제2펠렛의 함침재는 (4∼6) BaO : 1CaO : 1Al₂O₃혹은 (4∼6) BaO : 2Al₂O₃몰비임을 특징으로 하는 함침형 음극
6. 제1항에 있어서, 피복층의 금속밀도는 5∼22g/㎤범위내에서 이루어짐을 특징으로 하는 함침형 음극
7. 제1항에 있어서, 제2펠렛의 상부 표면의 가장자리에서부터 중앙부를 향하여 경사지게 함몰되어진 부분에 제1펠렛이 장착되어짐을 특징으로 하는 함침형 음극
8. 제1항에 있어서, 피복층의 상부의 금속밀도가 하부보다 1.3∼3.3배 범위내에서 피복되어 짐을 특징으로 하는 함침형 음극.