KR100195173B1 - 음극 구조체 및 이를 이용한 음극선관용 전자총 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자의 방출원인 음극 구조체와 이 음극 구조체를 이용한 음극선관용 전자총에 관한 것이다. 본 발명의 음극 구조체는, 림형상의 지지부재; 상기 지지부재에 삽입된 절연부재; 상기 절연부재에 몰입 고정되며 그 단부가 상기 절연부재의 상면으로 노출된 복수개의 핀; 상기 절연부재 상에 접착되어 고정되며 그 가장자리에 마련된 단자들이 상기 핀들의 노출부에 밀착되는 전계 효과 전자 방출 소자 유니트; 및 상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트의 단자들과 상기 핀들의 노출부를 전기적으로 연결하는 와이어;를 구비하고, 본 발명의 전자총은 상기 음극 구조체를 채택하여 종래의 제어 전극 및 스크린 전극을 없애, 그 구조를 간단하게 하였다.

Description

음극 구조체 및 이를 이용한 음극선관용 전자총

본 발명은 전자의 방출원인 음극 구조체와 이 음극 구조체를 이용한 음극선관용 전자총에 관한 것이다.

일반적인 음극선관은, 도 1에 도시된 바와 같이 내면에 형광막이 형성된 패널(100)과, 이 패널(100)과 봉착되는 것으로 그 네크부(201)와 콘부(202)에 각각 전자총(300)과 편향 요오크(203)가 설치된 펀넬(200; funnel)을 구비하여 이루어진다. 여기서, 301은 전자총을 지지하는 지지체이다.

이와 같이 구성된 음극선관은 전자총(300)으로부터 방출된 전자빔이 편향 요오크(203)에 의해 편향되어 형광막(400)에 주사됨으로써 형광막(400)을 여기시켜 화상을 형성하게 된다.

도 2는 펀넬(200)의 네크부(201)에 장착되어 열전자를 방출하는 전자총(300)의 일 실시예를 보여준다.

이 전자총(300)은 전자빔을 발생시키는 음극 구조체(310), 제어전극(14) 및 스크린 전극(15)과, 상기 스크린 전극(15)으로부터 순차적으로 설치되어 전자렌즈를 형성하는 포커스 전극(16)과 최종가속 전극(17)을 구비하고 있다.

이와 같이 구성된 전자총은 음극 구조체와 각각의 전극에 소정의 전압이 인가됨으로써 음극 구조체(310)로부터 열전자가 방출됨과 아울러 상기 각 전극들(32-35)사이에 전자렌즈가 형성된다. 따라서 상기 음극 구조체(310)로부터 방출된 전자빔은 각 전극들사이에 형성된 전자렌즈를 통과하면서 집속 및 가속된다.

상기 전자총으로부터 방출된 전자빔의 빔 전류밀도와 정상적으로 전자빔이 방출되기 까지의 시간은 음극 구조체(310)에 의해 좌우된다. 그러므로 상기 전자총에 있어서, 전자의 방출원인 음극 구조체(310)가 무엇보다 중요하다 할 것이다.

도 3는 상술한 종래 음극 구조체를 절개하여 도시한 절개 사시도이다.

이 음극 구조체(310)는 원통형의 슬리이브(21)와, 이 슬리이브(21)의 단부에 고정된 캡부재(22)와, 캡부재(22)의 상면에 도포된 전자 방사 물질층(23)과, 원통형 슬리이브(21)의 내부에 삽입되는 히이터(24)와, 슬리이브(21)를 하부에서 지지하는 홀더(25)와, 제어 전극(14)에 고정되는 외부 케이스(13)와, 상기 캡부재(22), 전자 방사 물질층(23), 슬리이브(21) 및 홀더(25)를 구비하는 음극(12; 이하 에미터라 칭하기도 한다)이 고정되는 3개의 내부 케이스(26) 및 상기 외부 케이스(13) 및 내부 케이스(26) 사이에 충진된 절연체(28)를 구비하고 있다.

이와 같이 구성된 음극 구조체(310)는 히이터(24)에 소정의 전위가 인가됨에 따라 히이터(24)가 발열된다. 이 히이터(24)로부터 발생되는 열은 상기 캡부재(22)와 슬리이브(21) 및 홀더(25)에 전달됨으로써 이들이 가열되고, 상기 캡부재(22)가 800도 정도로 가열되면 이의 상면에 도포된 열전자 방사 물질층(23)이 가열됨으로써 열전자가 방출된다.

이상과 같이, 히터(24)가 슬리이브(21) 속에 삽입되어 있는 방열형(indirectly heating) 음극(12)외에도 히터가 에미터에 직접 연결된 직열형(directly heating) 음극도 있다.

또한, 상기 전자 방사 물질층으로 형성된 에미터의 종류도 환원성 물질을 함유한 베이스 금속 위에 알칼리 토류 금속의 산화물이 주성분인 물질이 도포된 산화물형과 다공질 금속의 기공들에 전자 방출 물질이 함침돼 있는 함침형 등의 여러 가지가 있다.

상기와 같이 열전자를 방출하는 음극 구조체는 다음과 같은 문제점이 내재되어 있다.

첫째, 히이터로부터 발생된 열에 의해 캡부재와 슬리이브가 가열된 후 열전자 방사물질이 가열되므로 열전자가 정상적으로 발생될 때까지의 시간이 길다. 이 시간은 음극선관에 장착시 화면의 출화시간이 길어지는 것을 의미한다.(통상 8 내지 9 sec의 시간이 소요됨)

둘째, 음극 구조체의 캡부재, 슬리이드 등은 동작시 히터에 의하여 가열되어 열팽창됨으로써 전자빔이 이동되는 서멀 드리프트(thermal drift) 현상 및 컨버젼스 드리프트(convergence drift) 현상이 발생한다. 이러한 드리프트 현상을 방지하기 위하여, 음극을 장시간 가열하여 에미터의 물성을 바꿔 에미터가 열전자를 방사하기 쉬운 물리/화학 구조로 변환되도록 하는 전자총의 방출 활성화(emission aging) 공정이 필요하므로 생산성이 낮다.

셋째, 상기 열전자 방사 물질층을 가열하기 위한 전력(2 내지 4 watts)이 필요하다.

넷째, 칼라 음극선관의 경우 세 개의 적, 청, 녹색의 형광체를 각각 여기시키기 위한 각 전자총의 음극 구조체를 이루는 구성요소 즉, 캡부재, 슬리이브, 제어전극과 스크린 전극 등의 초기 열팽창의 시간적인 차이에 의해 화이트 밸런스( white balance)의 안정화 시간이 길다.

다섯째, 적,녹,청색의 음극들의 열전달 불균일에 의한 전자 방출 특성 산포가 있다.

여섯째, 히터 및 그 지지체가 전자총에 포함되므로 전자총 전체의 길이가 길어진다.

일곱째, 히터의 제조 공정이 복잡하여 생산성이 떨어지고 불량율이 높다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로, 구조적으로 안정되며, 화면의 출화 시간 및 화이트 밸런스의 안정화 시간이 짧으며, 제조가 간단하여 생산성의 향상을 도모할 수 있는 음극 구조체와 이를 이용한 칼라 음극선관용 전자총을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1는 일반적인 음극선관의 단면도,

도 2는 종래의 전자총의 단면도,

도 3은 도 2의 전자총의 음극 구조체의 부분 절개 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 음극 구조체를 갖는 전자총의 단면도,

도 5는 도 4의 음극 구조체의 확대 사시도,

도 6는 도 4의 전계 효과 전자 방출 소자 유니트의 평면도,

도 7는 도 4의 전계 효과 전자 방출 소자 유니트의 확대 사시도,

그리고 도 8는 도 7의 'A'부를 발췌하여 그 단면을 도시한 발췌 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12. 에미터 13. 외부 케이스

14. 제어전극 15. 스크린 전극

16. 포커스 전극 17. 최종 가속 전극

21. 슬리이브 22. 캡부재

23. 전자 방사 물질층 24. 히이터

25. 홀더 26. 내부 케이스

28. 절연체 32. 절연체

33. 핀 34. 와이어

35. 단자(pad) 40. 전계효과전자방출소자 유니트

40a. 전계효과전자방출소자 41. 기판

42. 음극 42a. 마이크로팁

43. 절연층 44. 게이트

44a. 개구부 100. 패널

200. 펀넬 201.네크부

202. 콘부 203. 편향 요오크

300. 전자총 301. 지지체

302. 비드 글래스 310. 음극 구조체

400. 형광막 500. 외부 단자

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 음극 구조체는,림형상의 지지부재; 상기 지지부재에 삽입된 절연부재;상기 절연부재에 몰입 고정되며 그 단부가 상기 절연부재의 상면으로 노출된 복수개의 핀; 상기 절연부재 상에 접착되어 고정되며 그 가장자리에 마련된 단자들이 상기 핀들의 노출부에 밀착되는 전계 효과 전자 방출 소자 유니트; 및 상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트의 단자들과 상기 핀들의 노출부를 전기적으로 연결하는 와이어;를 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트는, 기판; 상기 기판에 소정의 간격으로 이격된 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들; 상기 기판에 상기 전계 효과 전자 방출 소자들과 전기적으로 접촉되도록 설치되고 상기 핀의 노출부와 상기 와이어들을 통하여 전기적으로 연결된 복수개의 단자들;을 구비하고,상기 단자들과 핀들은 각각 4개씩 구비되고, 상기 4개의 단자들 중 3개의 단자들은 각각 상기 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들의 음극들과 연결되며, 나머지 한 개의 단자는 상기 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들의 게이트들과 접속되는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 음극선관용 전자총은,

음극 구조체, 보조렌즈 및 주렌즈를 이루는 복수개의 포커스전극과 최종 가속전극을 포함하여 된 칼라 음극선관용 전자총에 있어서, 상기 음극 구조체가, 림형상의 지지부재; 상기 지지부재에 삽입된 절연부재; 상기 절연부재에 몰입 고정되며 그 단부가 상기 절연부재의 상면으로 노출된 복수개의 핀; 상기 절연부재 상에 접착되어 고정되며 그 가장자리에 마련된 단자들이 상기 핀들의 노출부에 밀착되는 전계 효과 전자 방출 소자 유니트; 및 상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트의 단자들과 상기 핀들의 노출부를 전기적으로 연결하는 와이어;를 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트는, 기판; 상기 기판에 소정의 간격으로 이격된 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들; 상기 기판에 상기 전계 효과 전자 방출 소자들과 전기적으로 접촉되도록 설치되고 상기 핀의 노출부와 상기 와이어들을 통하여 전기적으로 연결된 복수개의 단자들;을 구비하고, 상기 단자들과 핀들은 각각 4개씩 구비되고, 상기 4개의 단자들 중 3개의 단자들은 각각 상기 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들의 음극들과 연결되며, 나머지 한 개의 단자는 상기 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들의 게이트들과 접속되는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 음극 구조체를 갖는 전자총의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 음극선관용 전자총은 히터를 사용하여 열전자를 방출하는 음극을 사용하는 대신에 전계 효과에 의해 전자를 방출하는 냉음극 형태의 전계 효과 전자 방출 어레이를 음극으로 사용하는 점에 특징이 있는데, 특징부인 음극 구조체를 먼저 설명한다.

이와 같은 음극 구조체가 도 5에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 음극 구조체는 비드 글래스(302; 도 4 참조)에 접속되어 음극 구조체 자체를 지지하는 림형 지지부재(31; 외부 케이스)와, 이 림형 지지부재(31)에 삽입되는 절연부재(32)와, 이 절연부재(32)에 몰입되어 고정되며 상단부가 상기 절연부재(32)의 상면으로 노출된 복수개의 핀(33)과, 상기 절연부재(32)의 상면에 본딩 등에 의해 고정되는 전계 효과 전자 방출 소자 유니트(40)와, 상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트(40)에 전압을 공급하기 위해 상기 핀(33)들과 전계 효과 전자 방출 소자 유니트(40)와 연결되는 와이어(34)를 구비한다.

상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트(40)는 기판 상에, 도 6에 도시된 바와 같이, 전계 효과 전자 방출 소자(40a)가 인라인상으로 세 개가 집적된다. 전계 효과 전자 방출 소자는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 기판(41)과, 이 기판(41)의 상면에 형성된 3개의 음극(42)과, 음극(42) 상에 어레이 형태로 다수 형성된 마이크로팁(42a)들과, 이 마이크로팁(42a)들이 노출되도록 상기 3 개의 음극(42)들 상에 형성된 절연층(43)과, 절연층(43)의 상면에 마이크로팁(42a)들이 노출되도록 하는 개구부(44a)를 갖는 게이트(44)를 구비한다.

상술한 바와 같이 구성된 음극 구조체는 상기 4개의 핀(33; 도 5 참조)들을 통하여 소정의 전압이 공급되면 마이크로팁(42a)들로부터 전자가 방출된다. 이를 위하여 상기와 같이 전계 효과 전자 방출 소자를 이용한 음극 구조체는, 도 5에 도시된 바와 같이 절연부재(32)에 고정된 전계 효과 전자 방출 소자 유니트(40)의 4개의 단자(35)와 핀(33)의 단부(33a)가 와이어(34)에 의해 연결되어 있다. 또한, 상기 유니트(40)의 4 개의 단자(35)들 중 3개는 전계 효과 전자 방출 소자(40a)들의 음극들과 각각 전기적으로 연결되며, 나머지 하나의 단자(35)는 상기 3개의 전계 효과 전자 방출 소자(40a)들의 게이트들과 전기적으로 연결된다. 와이어(34)는 그 직경이 10~50|Lm 정도이므로 핀(33)과 전계 효과 전자 방출 소자 유니트의 단자(35)를 연결하는데에는, 반도체 제조공정에 이용되는 와이어 본딩 공정을 이용하게 된다.

이상과 같이 형성된 음극 구조체가 장착된 본 발명의 음극선관용 전자총은, 도 4에 도시된 바와 같이 3개의 전계 효과 전자 방출 소자가 집적된 유니트가 절연부재 상에 고정된 음극 구조체(310), 음극 구조체(310)로부터 순차적으로 설치되어 전자렌즈를 이루는 포커스 전극(16) 및 최종 가속 전극(17)을 구비하여 이루어진다. 상기 음극 구조체(310)는 도 5에 도시된 바와 같이 3개의 전계 효과 전자 방출 소자가 집적된 유니트가 절연부재 상에 고정된 음극 구조체(310)가 자체의 지지부재(31; 외부 케이스)에 의해 비드 글래스(302)에 고정된다. 마찬가지로 상기 포커스 전극 및 가속 전극도 비드 글래스(302)에 순차로 고정된다. 여기서, 포커스 전극(16)은 음극 구조체(310)로부터 순차적으로 복수개 설치하여 전자빔을 집속 및 가속하기 위한 전자렌즈를 복수개로 제조할 수도 있다.

또한, 상기 전자총에 있어서, 절연부재(32)에는 복수개의 핀(33)이 몰입되는데, 이 핀(33)의 상단(33a)은 절연부재(32)의 상면으로 노출되어 와이어(34)를 통하여 전계 효과 전자 방출 소자 유니트의 4 단자(35)와 전기적으로 접촉된다. 그리고, 핀(33)의 하단은 상기 절연부재의 저면으로 돌출되어 음극선관의 외부 단자(500; 도 1 참조)와 접속된다.

한편, 상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트는, 도 6 내재 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(41)에 소정의 간격으로 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자(40a)들이 집적되고, 이 기판(41)의 상면 가장자리에는 상기 각 전계 효과 전자 방출 소자(40a)에 소정의 전압을 인가하기 위한 단자(35; pad)가 설치된다. 여기에서, 상기 전계 효과 전자 방출 소자(40a)들은 도 6에 도시된 바와 같이, 실리콘 등으로 이루어진 기판(41) 상에 몰리브덴을 주성분으로 하는 다수개의 마이크로팁(42a)들이 형성된다. 그리고 마이크로팁(42a)의 주위에는 SiO₂로 이루어진 절연층(43)이 형성된다. 이 마이크로팁(42a)들이 노출되도록 설치된 절연층(43)의 상면에는 마이크로팁(42a)들과 대향되는 부위에 개구부(44a)를 갖는 게이트(gate ;44)들이 형성된다. 상기 기판(41) 상에 설치된 한 개의 마이크로팁(42a) 당 전류가 50㎁ 내지 100㎁ 정도 이므로 마이크로팁들이 적어도 10,000개 이상이면 1㎃ 이상을 얻을 수 있으므로 음극선관의 형광막을 여기시키기 위한 충분한 전류가 된다. 현재의 기술로서는 1㎠ 당 200만 개 이상의 마이크로팁의 집적이 가능하다.

상술한 바와 같이 구성된 발명에 따른 음극 구조체와, 이를 이용한 칼라 음극선관용 전자총의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 음극 구조체를 갖는 전자총은 음극선관의 펀넬 네크부에 장착된 상태에서 상기 전자총을 이루는 각 전극 즉, 포커스 전극(16) 및 최종 가속전극(17)에 소정의 전압이 인가되면, 각 전극들의 사이에는 전자렌즈가 형성된다. 그리고 상기 음극 구조체(310)의 전계 효과 전자 방출 소자들에서는 마이크로팁들과 게이트에 소정의 전압이 인가되어, 마이크로팁(42a)들과 게이트(44)와의 사이에 전계가 작용되면 상기 마이크로팁(42a)로부터 전자빔이 방출된다. 이와 같이 방출된 전자빔은 상술한 각 전극들의 사이에 형성된 전자렌즈를 통과하면서 집속 및 가속된 후 편향 요오크(203; 도 1 참조)에 의해 편향되어 형광막의 형광점에 랜딩되어 형광막을 여기시키게 된다.

상술한 바와 같이 작동되는 음극 구조체와 이를 갖는 전자총은 다음과 같은 작용효과를 갖는다.

첫째, 전자총의 음극 구조체에 소정의 전위를 인가함과 동시에 음극 구조체의 마이크로팁으로부터 전자가 방출되므로 음극 구조체로부터 정상적인 전자 방출이 이루어지기 까지의 시간을 단축할 수 있다. 이 시간의 단축으로 음극선관의 초기 화면 출화 시간이 단축된다.

둘째, 종래와 같이 음극 구조체의 가열에 따라 음극 구조체를 구성하는 부품이 열팽창됨으로써 전자빔이 이동되는 서멀 드리프트 현상을 방지할 수 있다.

셋째, 열전자 방출이 아닌 전계 효과에 의한 전자 방출을 하므로, 음극을 가열하기 위한 전력이 불필요하여 전력 소모가 적다.

넷째, 칼라 음극선관의 경우 세 개의 적, 청, 녹색의 형광체를 각각 여기시키기 위한 각 전자총의 음극 구조체를 이루는 구성요소의 화이트 밸런스( white balance)의 안정화 시간이 짧다.

다섯째, 히터에 의한 가열 방식이 아니므로 적,녹,청색의 음극들에 열전달 불균일에 의한 전자 방출 특성 산포가 없다.

여섯째, 히터 및 그 지지체가 전자총에 포함되지 않으므로 전자총 전체의 길이가 단축된다.

일곱째, 히터를 제조 공정이 필요없어 생산성이 향상되고 불량율이 줄어든다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 음극구조체와 이를 이를 이용한 전자총은 상기한 실시예에 의해 한정되지 않고 당업자에 의해 본원 발명의 기술적 범위내에서 변형 가능함은 물론이다.

Claims (6)

1. 림형상의 지지부재;

   상기 지지부재에 삽입된 절연부재;

   상기 절연부재에 몰입 고정되며 그 단부가 상기 절연부재의 상면으로 노출된 복수개의 핀;

   상기 절연부재 상에 접착되어 고정되며 그 가장자리에 마련된 단자들이 상기 핀들의 노출부에 밀착되는 전계 효과 전자 방출 소자 유니트; 및

   상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트의 단자들과 상기 핀들의 노출부를 전기적으로 연결하는 와이어;를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 음극 구조체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트는,

   기판;

   상기 기판에 소정의 간격으로 이격된 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들;

   상기 기판에 상기 전계 효과 전자 방출 소자들과 전기적으로 접촉되도록 설치되고 상기 핀의 노출부와 상기 와이어들을 통하여 전기적으로 연결된 복수개의 단자들; 을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 음극 구조체.
3. 제1항에 있어서,

   상기 단자들과 핀들은 각각 4개씩 구비되고, 상기 4개의 단자들 중 3개의 단자들은 각각 상기 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들의 음극들과 연결되며, 나머지 한 개의 단자는 상기 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들의 게이트들과 접속되는 것을 특징으로 하는 음극 구조체.
4. 음극 구조체, 보조렌즈 및 주렌즈를 이루는 복수개의 포커스전극과 최종 가속전극을 포함하여 된 칼라 음극선관용 전자총에 있어서,

   상기 음극 구조체가,

   림형상의 지지부재;

   상기 지지부재에 삽입된 절연부재;

   상기 절연부재에 몰입 고정되며 그 단부가 상기 절연부재의 상면으로 노출된 복수개의 핀;

   상기 절연부재 상에 접착되어 고정되며 그 가장자리에 마련된 단자들이 상기 핀들의 노출부에 밀착되는 전계 효과 전자 방출 소자 유니트; 및

   상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트의 단자들과 상기 핀들의 노출부를 전기적으로 연결하는 와이어;를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총.
5. 제4항에 있어서,

   상기 전계 효과 전자 방출 소자 유니트는,

   기판;

   상기 기판에 소정의 간격으로 이격된 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들;

   상기 기판에 상기 전계 효과 전자 방출 소자들과 전기적으로 접촉되도록 설치되고 상기 핀의 노출부와 상기 와이어들을 통하여 전기적으로 연결된 복수개의 단자들; 을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총.
6. 제4항에 있어서,

   상기 단자들과 핀들은 각각 4개씩 구비되고, 상기 4개의 단자들 중 3개의 단자들은 각각 상기 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들의 음극들과 연결되며, 나머지 한 개의 단자는 상기 세 개의 전계 효과 전자 방출 소자들의 게이트들과 접속되는 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총.