KR100235995B1 - 함침형 음극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 함침형 음극에서 Ba/BaO 과대증발억제, 내이온충격, 내피독성 및 고신뢰성을 갖게 하는데 적합한 함침형 음극에 관한 것으로, 제1펠렛과 제2펠렛, 피복층을 구비한 함침형 음극에 있어서, Y, Ir, Os, Ru, Re 또는 이들의 합금 중에서 적어도 1종 이상으로 된 3μm이하의 금속분말과 W, Mo, Ta 또는 이들의 합금 중 적어도 1종 이상으로 된 3μm이하 금속분말을 혼합하여 압축 소결한 성형체에 전자 방사물질이 함침된 제1펠렛, W, Mo, Ta 또는 이들의 합금 중에서 1종 이상으로 된 5∼10μm 분말을 혼합하여 압축 소결한 성형체에 전자방사물질이 함침된 제2펠렛으로 구성됨을 특징으로 하는 함침형 음극에 관한 기술이다.

Description

함침형 음극

본 발명은 함침형 음극에 관한 것으로, 특히 Ba/BaO의 과다증발억제, 내이온충격, 내피독성 및 고신뢰성을 갖게 하는데 적합한 함침형 음극에 관한 것이다.

위성 탑재용 진행파관, 클라이스드론, 촬상관, 브라운관 등에서 고전류 밀도동작과 장수명이 요구되는 고신뢰선의 전자관의 심장부인 음극(cathode)에는 함침형 음극이 최근 사용되어 왔다.

도 1은 종래의 함침형 음극을 나타낸 것으로, 함침형 음극은 다공질의 텅스텐으로 된 펠렛(1)에 BaO, CaO, Al₂O₃로 이루어진 전자방사물질을 함침시키고, 그 표면에는 Os, Os-Ru, Ir 등의 백금족 금속으로 피복층(2)을 형성시킨 함침형 음극을 일반적으로 M-type이라 한다.

이 금속을 음극 펠렛표면에 피복하는 것에 의해 음극표면의 일함수를 낮추어, 열전자 전류를 많이 취출하는 것이 가능하며, 또한 동작온도를 50∼100℃b 낮추어 동작시키는 것이 가능하다.

상기 피복층에 Os-Ru를 피복시킨 것은 시간이 경과함에 따라 코팅층이 합금화에 의해 서서히 변질되어 에미셜(Emission) 특성의 변동을 초래한다.

반면에 Ir을 피복시킨 것을 피복층을 합금화 처리하는 것에 의해 대단히 안정한 합금층이 형성되어 에이션이 장시간 동안 안정하게 된다(일본국 특허소 47-21343호).

한편, 복합 다공질 금속 기체인 펠렛의 제조공정은 다음과 같다.

3∼8μm 인 W, Mo, Ir, Ta 등의 분말을 충분히 혼합하여 적당한 압력으로 프레스 성형한 후, 진공 혹은 수소 중에서 1700∼2000℃b 정도로 30분∼3시간 동안 소결하여 15∼30%의 기공율을 갖도록 한다.(대한민국 특허 No. 92-4898)

전자관의 음극에서 승화된 증발물질은 그리드 에미션, 전기누설, 2차방사, RF손실 등을 발생시키며, 튜브 특성을 변하게 할 수 있다.

Ba 디스펜서 음극의 만족할 만한 동작 온도에서 Ba 증발은 필연적이며, 활성방사표면을 유지하기 위해서 최소 증발율이 요구되어지는 것은 명백하다.

음극의 수명은 동작 특성에 변화를 일으키는 증발물질에 의해 짧아진다.

따라서, Ba 함침형 음극의 증발율이 전체 성능이 평가되기 전에 결정되어야 한다.

함침형 음극의 기본적인 특징은 수명 초기의 증발율의 감쇠현상이며, 이는 음극표면에 남아 있는 함침재, 혹은 Ba의 빠른 생성율 때문으로 해석된다.

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

음극의 동작온도를 낮출 수 있도록 개량된 것으로서, 다공성 금속기체의 열전자 방출면에 Os, Os 합금, Ir 등으로 된 얇은 코팅층이 형성된 함침형 디스펜서 음극이 있는데, 동작온도가 낮아진 반면에 수명이 짧은 문제가 있다.(미국 특허 4,417,173)

또한, 미국특허 4,823,044 호에 의하면, 다공성 금속기체에 Os, Ir, Re, Ru, W 등을 정량 포함시킴으로써, 비교적 안정한 전자방사특성, 저렴한 제조비용 10A/cm²이상의 고전류밀도를 가질 수 있다고 기재되어 있으나, 동작온도가 1000∼1100℃b 정도로 높아, 캐소드 부품의 열변형 및 과다 Ba/BaO 증발을 초래할 수 있는 문제가 있다.

산화물 음극의 활성화 공정에서 음극은 약 1000℃b 정도까지 가열되며, 이 고온 가열시에는 음극으로 부터 증발된 Ba는 주변의 부품에 비산 증착하여 Stray Emission의 원인이 된다.

그 중에서 음극에 근접한 G1, G2의 공경에 음극에서 증발한 Ba/BaO가 증착하며, G1, G2 등은 음극으로 부터의 복사열 혹은 전도열에 의한 가열로 고온이 되고, 이 열로 인해 증착 Ba/BaO는 G1공경에 증착해서 음극-G1의 간격을 좁히는 동시에 G1공경을 작게하며, 이 현상은 CRT의 수명기간 중 계속된다.

그 결과 시간경과에 따라 Cut-off 전압은 높게 되고, 빔 전류는 감소해서 휘도가 저하해 간다.

한편, 함침형 음극의 표면은 튜브 제작 중의 봉지와 배기 동안에 열적 산화에 의한 전자방사표면의 열화를 받기 쉬우며, 또한, CRT의 수명기간 중에도 튜브 내의 잔류 가스는 집속전극에 인가되는 10kV 전후의 고전압, 혹은 30kV 전후의 형광면 전압에 의해 이온화되기 때문에, 이온 충격에 의한 에미션 열화는 피할 수 없는 문제이다.

일반적으로, 함침형 음극이 적용되는 CRT는 짧은 에이징 시간이 요구되지만, 보통 장시간이 소요되어 대량 생산에 적합하지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 제1펠렛과 제2펠렛을 상, 하로 장착하되 이들의 조성물 및 그 입도를 조정하여 혼합함으로써, 저온 동작하에서도 고전류 밀도가 가능하며, Ba/BaO의 과다증발억제, 내(耐)이온충격, 내(耐)피복성 및 고신뢰성을 갖는 함침형 음극을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 함침형 음극의 펠렛구조도

도 2는 본 발명의 함침형 음극의 펠렛구조도

도 3은 시간대별 Ba 증발율을 나타낸 그래프

도 4는 시간대별 Cut-off 전압 변화율을 나타낸 그래프

도 5는 Ar에 대한 이온충격 내성을 나타낸 그래프

도 6은 사용수명특성을 나타낸 그래프

도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

3 : 제1펠렛4 : 제2펠렛

5 : 피복층

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상, 하층을 이루는 제1펠렛과 제2펠렛, 제1펠렛 표면에 형성된 피복층, 상기 펠렛이 장착되는 컵, 컵을 지지하는 슬리브를 구비하는 함침형 음극에 있어서, Y, Ir, Os, Ru, Re 또는 이들의 합금 중 적어도 1종 이상으로 된 3μm이하 금속분말을 혼합하여, 상기 제2펠렛의 공극율보다 낮게 압축소결한 성형체에 전자방사물질이 함침된 제1펠렛, W, Mo, Ta 또는 이들의 합금 중 적어도 1종 이상으로 된 5∼10μm 금속분말과, Ir 또는 Os의 5∼10μm 금속분말을 혼합하여 공극율이 상기 제1펠렛보다 높게 압축 소결한 성형체에 전자방사물질이 함침된 제2펠렛, Ir, Os, Ru, Re, Mo/Os, Ir/Ta, W/Re 또는 이들의 합금 중 적어도 1종 이상으로 이루어지는 피복층을 갖는 함침형 음극으로 구성된다.

상기 제1펠렛의 공극율은 제1펠렛의 총 부피에 대해 15∼20부피%, 제2펠렛의 공극율은 제2펠렛의 총 부피에 대해 21∼30부피%가 되도록 압축 소결하여 형성되고, 상기 피복층 형성후에는 H₂에서 1200∼1300℃, 5분이상 동안 상기 제1 및 제2펠렛표면을 수소 처리한다.

제1펠렛의 함침재는(2∼3) BaO : 1CaO : 1Al₂O₃몰비이고, 제2펠렛의 함침재는(4∼6) BaO : 1CaO : 1Al₂O₃또는(4∼6) BaO : 3CaO : 2Al₂O₃몰비로 이루어진다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 함침형 음극을 나타낸 단면도이다.

제1펠렛(3)은 Y, Ir, Os, Ru, Re 또는 이들의 합금 중 1종 이상으로 된 3μm이하 금속분말과, W, Mo, Ta 또는 이들의 합금 중 1종 이상으로 된 3μm 이하의 금속분말을 혼합하여 공극율이 15∼20% 되게 압축 소결한 후 3BaO : 1CaO : 1Al₂O₃의 몰비로 된 함침재를 함침시킨다.

제1펠렛(3)의 표면은 음극선관 내의 잔류가스와 지속적으로 화학적 및 물리적 반응을 하며, 특히 물리적 반응인 Ion Bombardment는 함침형 음극의 전자방사능력에 큰 영향을 주기 때문에, 본 발명은 제1펠렛을 3μm 이하의 미세한 W 금속분말을 사용하여 압축 소결함으로써, 표면에서 잔류가스에 의한 이온충격을 줄일 수 있다.

희토류 금속인 Ir, Os/Ru, Ru, Re, W/Re을 Sputtering방법으로 피복층(5) 형성 후에는, H₂로에서 펠렛표면을 수소 처리하여 표면의 결정성을 향상시킴으로써 이온충격을 최소화할 수 있다.

또한, 전자방사물질의 몰비가 3 : 1 : 1인 함침재를 공극율이 15∼20%인 펠렛에 함침하여 Ba 증발을 억제할 수 있다.

제2펠렛(4)은 5∼10μm의 금속분말 Ir, Os 중 1종의 성분과, 5∼10μm 이하의 금속분말 W를 혼합하여 공극율 21∼30%로 압축 소결한 후, 5BaO : 3CaO : 2Al₂O₃의 몰비로 함침시킨다.

도 3은 시간대별 Ba 증발율의 특성에 대하여 본 발명의 함침형 음극을 종래의 함침형 음극과 비교한 그래프이다.

이에 알 수 있듯이 본 발명의 Ba 증발율이 종래의 것보다 2배 이하로 감소되는 결과를 나타낸다.

도 4는 음극으로 부터 증발한 Ba이 그리드 전극 G1의 공경에 증착되어 변화를 일으킬 수 있는 Cut=off 전압 변화율에 대하여 보인 그래프이다.

본 발명의 함침형 음극의 Ba 증발이 상대적으로 낮기 때문에 Cut-off 변화율도 종래의 함침형 음극보다 우수하다.

도 5는 음극선관 내의 잔류가스 중의 하나인 Ar 가스에 대하여 음극의 전자방사열화특성을 나타낸 것으로, 본 발명의 제1펠렛의 W금속분말 입자크기가 종래 펠렛의 것보다 미세하고, 표면을 수소 처리하였기 때문에 종래의 함침형 음극보다 향상된 것임을 알 수 있다.

도 6은 사용수명을 나타낸 것으로, 본 발명의 함침형 음극은 제2펠렛에서 Ba를 꾸준하게 음극 표면으로 공급해 줄 수 있기 때문에 종래의 함침형 음극보다 장수명의 에미션(Emission) 특성을 가질 수 있다.

상기한 구성 및 작용에 따른 본 발명의 함침형 음극은 종래의 함침형 음극에 비해서, Ba/BaO 증발율을 2∼3배 저하시킬 수 있으며, Cut-off 전압 변화율도 5% 이하 수준으로 낮출 수 있다.

또한, 본 발명의 음극구조는 음극선관 내의 잔류가스에 의한 이온충격이나 피독특성에 대하여 우수한 특성을 가지며, 장수명의 특성이 보장되는 음극구조이다.

따라서, 본 발명의 함침형 음극은 종래의 함침형 음극의 문제점인 Ba/BaO 과다증발, 큰 Cut-off 전압 변화율, 피독 및 이온 충격 등을 해결하여 장수명의 신뢰성 높은 함침형 음극이기 때문에, 고휘도 및 고해상도의 초대형 브라운관 및 HDTV에 적용할 수 있다.

Claims (4)

1. 상, 하층을 이루는 제1펠렛과 제2펠렛, 제1펠렛 표면에 형성된 피복층, 상기 피복층이 형성된 제1펠렛 및 제2펠렛이 장착되는 컵, 컵을 지지하는 슬리브를 구비하는 함침형 음극에 있어서,

   Y(이트륨), Ir(이리듐), Os(오스뮴), Ru(루테늄), Re(레늄) 또는 이들의 합금 중에서 적어도 1종 이상으로 된 3μm 이하 금속분말을 혼합하여 제2펠렛의 공극율보다 낮게 압축 소결한 성형체에 전자방사물질이 함침된 제1펠렛,

   W, Mo, Ta 또는 이들의 합금 중에서 적어도 1종 이상으로 된 5∼10μm 금속분말과 Ir 또는 Os의 5∼10μm 금속분말을 혼합하여, 공극율이 상기 제1펠렛보다 높게 압축 소결한 성형체에 전자방사물질이 함침된 제2펠렛, Ir, Os, Ru, Re, Mo/Os, Ir/Ta, W/Re 또는 이들의 합금 중에서 적어도 1종 이상으로 된 피복층으로 이루어짐을 특징으로 하는 함침형 음극.
2. 제 1 항에 있어서,

   제1펠렛의 공극율은 제1펠렛의 총부피에 대해 15∼20부피%, 제2펠렛은 제2펠렛의 총부피에 대해 21∼30부피%임을 특징으로 하는 함침형 음극.
3. 제 1 항에 있어서,

   피복층이 성형된 제1 및 제2펠렛표면을 H₂로(爐)에서 1,200∼1300℃, 5분이상 수소 처리하여서 된 것임을 특징으로 하는 함침형 음극.
4. 제 1 항에 있어서,

   제1펠렛에 함침되는 함침재는(2∼3) BaO : 1CaO : 1Al₂O₃몰비이고, 제2펠렛에 함침되는 함침재는(4∼6) BaO : 1CaO : 1Al₂O₃또는(4∼6) BaO : 3CaO : 2Al₂O₃몰비임을 특징으로 하는 함침형 음극.

Images