KR0147538B1 - 디스펜서 음극 - Google Patents

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Description

디스펜서 음극

제1도는 종래의 저장형 디스펜서 음극의 단면도,

제2도는 본 발명의 의한 디스펜서 음극의 단면도,

제3도는 본 발명의 일 실시예에 의한 디스펜서 음극의 절대온도의 역수와 2극관에서의 포화 전류밀도와의 관계를 도시한 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,1':복합다공질금속기체 2:저장조

3,7:압축성형체 4,9:슬리이브

5:히이터 6:피복층

8:지지컵

본 발명의 디스펜서 음극에 관한 것으로서, 특히 빔 전류가 고밀도화되고, 장수명을 갖도록 개량된 디스펜서 음극에 관한 것이다.

일반적으로 디스펜서 음극은 전자방출원인 바륨(Ba)이 음극동작시 표면으로 확산, 분배되어 전자방출을 제공하는 음극을 말하며, 그 구조에 따라서 저장형, 함침형 및 소결형 등으로 분류된다.

이들은 빔전류의 고밀도화가 가능하고 장수명을 가지므로 대형 음극선관등의 전자관의 고정세화, 고휘도화에 유망한 것으로 주목되고 있다.

그러나 이들 디스펜서 음극은 1000 내지 1300℃정도의 고온하에서 동작되기 때문에 실제 음극선관 등의 전자관에 채용하기에는 어려운 점이 있고, 만약 이들을 채용하는 경우에는 전자관을 비롯하여 다른 부품에 열적 영향을 크게 미치기 때문에 내구력을 저하시키거나 타부품의 열변형을 초래하는 문제가 있다.

현재 상기와 같은 문제를 개선하기 위하여 연구개발 중에 있으며, 대표적으로 미국 특허 번호 제 4,823,044호에 의하면 세라다인(Ceradyne)사의 디스펜서 음극(제1도)는 다공성 금속기체에 Os, Ir, Re, Ru 및 W 등을 정량 포함시킴으로써 비교적 안정한 전자방출 특성을 갖게 되고 제조 비용이 저렴하고, 10A/㎠이상의 전류밀도를 갖는다고 기재되어 있으나, 실재 제조공정이 복잡할 뿐만 아니라 동작온도가 1000 내지 1100℃ 정도로 높아 슬리이브, 지지컵 등의 음극을 구성하는 재료는 고융점 금속이어야 하므로 금속부품의 가공 및 용접문제로 인한 생산성을 저하시키는 요소가 되고 있다.

또한 현재 가장 널리 사용되고 있는 음극선관용 음극으로는 3원탄산염(BaCO₃, CaCO₃, SrCO₃등)으로 이루어진 산화물 음극이다.

이러한 산화물음극은 동작온도가 700 내지 750℃로 비교적 저온에서 동작되나 전류밀도가 최고 1A/㎠ 정도밖에 되지 않으며, 동작온도를 높이면 고전류밀도를 얻을 수 있으나 수명이 단축되는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상기 문제를 감안하여 저온 동작하에서도 빔전류의 고도화가 가능하고 안정한 전자방출 특성을 가지며 제조공정이 단순한 디스펜서 음극을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 디스펜서 음극은 제1펠렛, 제2펠렛 및 피복층을 구비하는 디스펜서 음극에 있어서, 상기 제1펠렛은 바륨칼슘알루미네이트, 니켈(Ni) 및 Zr화합물로 이루어진 압축성형제이고, 상기 제2펠렛은 텅스텐(W)을 주재료로하고, 여기에 이리듐(Ir) 또는 오스뮴(Os) 또는 이들의 합금이 함유된 복합다공질 금속기체이고, 상기 피복층은 BaO 또는 BaCO₃로 이루어진 탄산염인 점에 특징이 있다.

이하 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

[실시예]

제2도는 본 발명에 의한 디스펜서 음극의 단면도를 나타낸 것으로서, 지지컵(8) 내부에 위치한 바륨칼슘알루미네이트, 니켈(Ni) 및 Zr 화합물(예컨데, ZrH₂또는 ZrO₂등)로 이루어진 제1 펠렛(7)은 지지컵의 밑면과 접촉하여 장착되고 제1펠렛(7)의 상부에는 텅스텐(W)과 이리듐(Ir)으로 이루어진 복합다공질 고용점 금속기체인 제2펠렛(1')이 장착되고, 제2펠렛(1') 상부 표면에는 BaO 또는 BaCO₃를 주성분으로 하는 탄산염이 도포되어 있다.

또한 지지컵(8)과 슬리이브(9)는 Ni-Cr재를 사용하였다.

본 발명의 디스펜서 음극은 히이터(5)의 동작에 의해 제1펠렛의 구성물질인 바륨칼슘알루미네이트가 Ni 또는 활성제인 Zr과 반응하여 유리 바륨(Ba)을 생성하고, 생성된 유리 바륨(Ba)은 제 2펠렛인 복합다공질 금속기체의 다공부를 따라 표면으로 확산 분배된다. 이와 같은 유리 바륨(Ba)은 음극표면에서 복합다공질 금속기체의 구성성분인 Ir의 아교작용에 의해 축척되므로 음극표면에서 일함수를 감소시킨다.

음극 최상부에 도포된 BaCO₃도포층(6)은 음극제조공정, 즉 배기 및 활성화 공정중에 분해하여 BaO 피복층(6)으로 되며, 제1펠렛의 ZrH₂또는 ZrO₂도 상기 공정중에 Zr로 분해된다.

따라서, 음극동작중에는 BaCO₃가 BaO상태로 존재하여 종래의 산화물음극의 동작원리와 유사한 방법으로 전자를 방출하고, 특히 저장형의 큰 단점으로 지적된 긴 활성화시간을 단축시켜 초기의 불완전한 활성화상태를 보완한다.

본 발명에 의한 디스펜서 음극은 최상부의 BaO층에서 초기전자 방출이 나타나고, 그 후 BaO층에서 Ba 또는 BaO가 끊임없이 표면으로 확산, 분배되어 다시 채워질 뿐 아니라 표면에 고착되는 Ba의 농도가 높게 되어 일함수가 저하되며, 그로 인해 고전류밀도와 장수명을 갖게 된다.

이하, 본 발명에 따른 디스펜서 음극의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제1펠렛은 BaCO₃: CaCO₃: Al₂O₃몰비를 4:1:1 또는 5:3:1로 평량한다. 그후 알루미나 유발로 균일하게 분쇄혼합하여 얻어진 혼합분말을 진공 또는 수소 분위기하에서 1000 내지 1200℃로 가열하면 몇 개의 상(相)으로 이루어진 바륨칼슘알류미네이트 분말이 얻어진다.

얻어진 상기 분말을 Ni분말과 ZrH₂또는 ZrO₂분말과 잘 혼합한다. 이러한 혼합분말을 압축 성형하여 제1펠렛을 완성하였다. 이때 바륨칼슘알루미네이트는 전체 혼합물의 50 내지 80중량%이고, 환원제이면서 베이스로 존재하는 Ni과 활성제인 ZrH₂또는 ZrO₂이 20내지 50중량%일 때가 양호한 음극특성을 나타내었다.

또한 제1펠렛의 제조시 Ni대신에 W을 사용하게 되면 동작온도는 다시 상승하게 되지만 음극 특성(예컨대, 전류밀도의 변화, 작은 Ba 증발비 등)은 안정하였다.

제2펠렛은 3 내지8㎛의 입경을 갖는 순수한 텅스텐 분말과 텅스텐 분말의 20 내지 50중량%인 Ir 또는 Os 금속 분말을 잘 혼합하여 적절한 압력으로 압축성형한 후 진공 또는 수소분기하에서 소결하면 가공율이 15 내지 30%인 복합다공질금속기체가 얻어진다.

제2펠렛을 형성하는데 있어서 Ir 또는 Os를 포함하는 이유는 이러한 Ir 또는 Os가 음극표면에 BaO(활성화과정에서의 최상부에 있는 BaO와 표면으로 확산되는 BaO)와 반응하여 산화물이 되므로 이 산화물은 BaO의 표면 피복층을 두껍게 하는 효과가 있어 표면에서 Ba와 BaO의 농도를 증가시키고 일함수를 감소시켜 고전류밀도를 가능하게 하는데 기여하기 때문이다.

상기 제2펠렛은 제1펠렛의 상부에 밀착 고정된다. 다음 공정으로 제2펠렛의 상부에 BaCO₃를 주성분으로 하는 피복층을 형성한다. 이때 피복층은 BaCO₃분말을 단독으로 또는 (Ba, Ca, Sr)CO₃공침염분말을 니트로셀룰로오스를 용해시킨 초산부틸 등의 유기용매중에 분산시켜 스프레이법에 의해 수㎛ 두께로 형성된다.

상기의 피복공정은 종래의 산화물음극의 제조공정가 유사하고 유기용매의 분해 및 탄산염의 분해공정도 산화물 음극의 제조공정과 유사하다.

상기와 같이 하여 완성된 음극본체를 슬리이브에 용접하거나 또는 슬리이브와 지지컵을 미리 용접한 후 상기 음극제조공정을 행하고 히이터와 함께 시험관에 장착하여 배기, 활성화 공정을 수행함으로써 본 발명의 음극을 동작시킨다.

상기 음극표면의 BaCO₃를 주성분으로하는 피복층은 배기, 활성화공정중 BaO인 산화물의 형태로 되어 산화물 음극과 유사한 원리로 초기의 전자방출에 이바지하며, 이는 산화물 음극이 활성화되기 쉽고 공정이 단순화된다는 장점을 디스펜서 음극에 응용한 것이다.

실제로 본 발명의 음극동작에서는 저장된 전자방출 물질의 상승작용, 즉 과잉 Ba의 생성이 활성화 과정중에 더욱 활발히 일어나 동작시 표면으로 확산 분배되어 산화물 음극과 유사한 동작온도에서 더욱 큰 전류밀도를 얻을 수 있었다.

제3도는 본 발명의 밀 실시예에 의한 디스펜서 음극의 절대온도의 역수와 2극관에서의 포화 전류밀도와의 관계를 표시한 그래프이다. 제3도로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 음극은 여러 가지 복합적인 현상에 의해 저온동작에서의 고전류밀도, 낮은 Ba증발비 및 장수명을 갖는다.

그 요인을 살펴보면 다음과 같다.

(1) 저온 동작에서 기여하는 것; 제1펠렛의 바륨칼슘알루미네이트, Ni 및 Zr이 반응하여 Ba 또는 BaO를 생성하는 저활성화 온도, 음극 최상부의 BaO 피복층의 낮은 일함수, 산화물 음극과 유산한 부품으로 채용하여 열효율이 종래의 디스펜서 음극보다 우수함.

(2) 고전류밀도에서 기여하는 것; 제1펠렛의 과잉 Ba의 생성능력이 큰 것, 제2펠렛의 복합다공질금속기체중의 Ir 또는 Os의 Ba(또는 BaO) 피복층을 두껍게 하는 역할을 하고, 최상부의 BaO피복층의 전자방출에 기여함.

(3)안정한 전자방출특성 및 낮은 Ba증발비; 제1펠렛의 계속적인 Ba(또는 BaO) 공급으로 인한 표면의 전자방풀이 원상복귀되고, 복합다공질 금속기체가 Ba(또는 BaO)와 결합력이 크고, 기공율이 Ba(또는 BaO)의 증발을 제어함.

(4) 제조공정의 단순화에 기여하는 것; 음극표면의 BaO층이 산화물 음극 제조방법과 유사하며 초기 활성화상태를 보완하여 활성화시간이 짧은 것.

이상과 같이 하여 얻어진 본 발명의 디스펜서 음극은 1000 내지 1300℃에서 4A/㎠이상인 종래의 음극을 750 내지 850℃에서 4A/㎠이상의 높은 전류밀도를 얻을 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 저온 동작하에서도 고전류밀도를 얻을 수 있고 종래의 산화물 음극의 제조공정을 거의 변경하지 않고도 생산성 효율이 높고 활성화 시간 단축에 의한 음극제조시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 이로 인해 제조원가가 절감되고 대량 생산하에서도 양질의 제품을 얻을 수 있었다.

Claims (4)

1. 제1펠렛, 제2펠렛 및 피복층을 구비하는 디스펜서 음극에 있어서, 상기 제1펠렛은 바륨칼슘알루미네이트, 니켈(Ni) 및 Zr화합물로 이루어진 압축성형체이고, 상기 제2펠렛은 텅스텐(W)을 주재료로 하고, 여기에 이리듐(Ir) 또는 오스뮴(Os) 또는 합금이 함유된 복합 다공질 금속기체이고, 상기 피복층은 BaO 또는 BaCO₃로 이루어진 탄산염인 것을 특징으로 하는 디스펜서 음극.
2. 제1항에 있어서, 제1펠렛을 구성하는 성분의 총100중량%를 기준하여 상기 바륨칼슘알루미네이트의 함량이 50 내지 80중량%이고, 상기 니켈(Ni) 및 Zr화합물의 함량의 20 내지 50중량%인 것을 특징으로하는 디스펜서 음극.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Zr화합물이 ZrH₂또는 ZrO₂인 것을 특징으로 하는 디스펜서음극.
4. 제1항에 있어서, 제2펠렛을 구성하는 성분중 주재료인 텅스텐(W) 총 100중량%를 기준하여 상기 Ir 또는 Os 또는 이들이 합금이 20 내지 50중량%인 것을 특징으로 하는 디스펜서음극.

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