KR100249714B1 - 전자총용 음극 - Google Patents

Abstract

목적 : 음극선관에 적합한 전자총용 음극에 관한 것으로서, 특히 베이스 메탈에 함유된 환원성 원소의 후발 확산 경로를 확보하여 유리 바륨원자의 생성을 원활하게 달성하므로, 고전류 밀도 부하에서 장수명을 실현할 수 있도록 한다.

구성 : 니켈을 주성분으로 하고 적어도 일종의 환원성 원소가 함유된 베이스 메탈(6)의 상부에, 주성분이 텅스텐, 지르코늄-텅스텐 또는 텅스텐-니켈로 된 금속층(12)을 형성하고, 그 금속층의 상부에 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물을 함유하여서 된 전자방출물질층(8)을 형성한다. 상기 금속층은 베이스 메탈의 상부에 텅스텐, 지르코늄-텅스텐 또는 텅스텐-니켈을 도포하고, 이것을 열처리하여 얻어지는 것으로, 상기한 베이스 메탈의 평균 입자 보다 작은 입자 크기를 갖도록 형성되는 것이다.

효과 : 전자방출물질층의 입자 보다 작은 입자로 형성된 금속층이 반응 생성물인 중간층을 분산시키고 그 축적을 억제하며 환원성 원소의 후발 확산에 기여하므로, 상기 환원성 원소가 필요한 유리 바륨원자의 생성 반응을 지속적으로 유지하고, 2∼3A/㎠의 고전류 밀도 부하에서 장수명을 실현한 것이다.

Description

전자총용 음극

본 발명은 음극선관에 사용되는 전자총용 음극에 관한 것으로서, 특히 유리원자의 생성에 기여하는 환원성 원소의 확산 경로를 확보하여, 고전류 밀도에서 장기간 사용할 수 있도록 하는데 적합하게 된 전자총용 음극에 관한 것이다.

음극선관은 전자총에서 방출된 전자를 고전압으로 가속하여 스크린의 형광체에 랜딩되게 함으로써, 그 형광체의 여기 발광에 의해 화상을 구현하는 장치이다.

이러한 음극선관에 사용되어 전자를 방출하는 전자총용 음극의 일반적인 구조가 도 4에 잘 나타나 있다. 도면에서 슬리이브(2)의 내부에는 히터(4)가 설치되어 있고, 그 상부에는 니켈(Ni)을 주성분으로 하며 실리콘(Si) 및 마그네슘(Mg)과 같은 환원성 원소를 미량 함유하여서 된 캡상의 베이스 메탈(6)이 설치되어 있고, 그 위에는 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 전자방출물질층(8)이 형성되어 있다.

이와 같이 구성된 산화물 음극은 히터에서 발생된 열을 에너지원으로 하여 금속 산화물과 환원성 원소가 반응되게 하고, 여기서 생성된 유리 바륨원자를 이용하여 열전자가 방출되게 하는 것이다. 상기한 전자총용 음극에서 전자 방출 능력은 금속 산화물에 존재하는 유리 바륨원자의 공급량에 의해 결정된다.

그러나 최근들어 음극선관은 고정세화 및 대형화되는 추세에 있으며, 이에 따라 고전류 밀도에서 장기간 동안 유리 바륨원자를 공급할 수 있는 음극의 개발이 필요하게 되었다.

이에 따라, 본 출원인에 의해 선출원된 것으로서 대한민국 공개특허공보 제 96-15634호에는 알카리토류 금속 산화물이 함유된 전자방출물질층에 란타늄(La) 화합물과 마그네슘(Mg) 화합물이 동시에 또는 La-Mg 복합화합물이 더 포함되게 하여, 유리 바륨원자의 증발 소모를 억제한 음극이 개시되어 있다.

그러나 상기한 종래의 음극은 도 5에 자세하게 도시된 바와 같이 베이스 메탈(6)과 전자방출물질층(8)의 계면에 반응 생성물인 중간층(10)이 생성되므로, 2∼3A/㎠의 고전류 밀도 부하에서 수명 단축을 초래하게 된다.

중간층(10)은 전자방출에 기여하는 유리 바륨원자를 생성하기 위한, 금속 산화물인 탄산바륨에서 열분해된 산화바륨과 환원제인 실리콘 및 마그네슘의 반응에 의해 생성되는 것이다.

BaO+Mg → MgO+Ba↑

4BaO+Si → Ba₂SiO₄+2Ba↑

반응식 1과 반응식 2를 통하여 생성된 유리 바륨원자는 전자방출에 기여하게 되지만, 그에 따라 MgO 나 Ba₂SiO₄ 와 같은 반응물이 생성되어 베이스 메탈(6)과 전자방출물질층(8)의 경계에 중간층(10)을 형성하게 된다.

이와 같이 형성된 중간층(10)은 장벽으로 되어 베이스 메탈(6)에 함유된 환원제의 후발 확산을 방해하여, 환원제를 필요로 하는 유리 바륨원자의 생성 반응을 곤란하게 하므로, 음극의 수명을 단축시키게 되는 것이다. 또, 상기한 중간층(10)은 고저항을 갖는 것이므로 전자방출전류의 흐름을 방해하여 방출 가능 전류밀도를 제한하는 문제점도 있다.

또 한편으로 일본 공개특허공보 평 3-257735호에는 베이스 메탈과 전자방출물질층의 사이에, 실리콘이나 마그네슘과 같거나 낮은 환원성을 갖는 게다가 니켈 보다 큰 환원성을 갖는 금속층을 형성하고, 상기 전자방출물질층에 희토류금속 산화물을 포함하여, 그 희토류금속 산화물에 의해 반응 생성물을 분해하고, 상기 금속층의 환원성 원소가 유리 바륨원자의 생성에 기여토록 한 전자관용 음극이 개시되어 있다.

그러나 상기한 음극은 유리 바륨원자의 생성과 동시에 부가적인 반응 생성물을 더 만들어, 사용 초기에는 안정된 특성을 보이나 시간이 경과할수록 수명이 급격히 저하되는 문제점이 있다.

이에 따라, 본 발명에서는 베이스 메탈에 함유된 환원제의 후발 확산 경로를 확보하여, 유리 바륨원자의 생성을 원활하게 달성하므로, 고전류 밀도 부하에서 장수명을 실현할 수 있도록 함에 그 목적을 두고 있는 것이다.

상기 목적을 실현하기 위한 수단으로, 본 발명은 니켈을 주성분으로 하고 적어도 일종의 환원성 원소가 함유된 베이스 메탈의 상부에, 주성분이 텅스텐, 지르코늄-텅스텐 또는 텅스텐-니켈로 된 금속층을 형성하고, 그 금속층의 상부에 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물을 함유하여서 된 전자방출물질층을 형성한 전자총용 음극을 제안한다.

여기서, 본 발명의 목적물인 금속층은 베이스 메탈의 상부에 텅스텐, 지르코늄-텅스텐 또는 텅스텐-니켈을 도포하고, 이것을 열처리하여 얻어지는 것으로, 상기한 베이스 메탈의 평균 입자 보다 작은 입자 크기를 갖도록 형성되는 것이다.

또한, 본 발명은 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물에, 란타늄 화합물과 마그네슘 화합물이 동시에 또는 란타늄-마그네슘 복합화합물이 포함된 제 2 전자방출물질층을 상기 전자방출물질층의 상부에 더 형성한 구성을 포함할 수 있다.

상기한 구성에 의거하여, 본 발명에서는 전자방출물질층의 입자 보다 작은 입자로 형성된 금속층이 반응 생성물인 중간층을 분산시키고, 환원성 원소의 경로를 확보하여 후발 확산에 기여하므로, 상기 환원성 원소가 필요한 유리 바륨원자의 생성 반응을 지속적으로 유지하여, 2~3A/㎠의 고전류 밀도 부하에서의 장수명을 실현한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전자총용 음극을 도시한 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 요부를 확대 도시한 단면도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 전자총용 음극을 도시한 단면도.

도 4는 본 발명에 의한 수명 특성을 보인 도면.

도 5는 종래 공지된 전자총용 음극을 도시한 단면도.

도 6은 종래 공지된 음극을 확대 도시한 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

6-베이스 메탈 8-전자방출물질층

10-중간층 12-금속층

80-제 2 전자방출물질층

이하, 본 발명을 실현하기 위한 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 설명한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어 종래 기술에서 인용된 도면을 통하여 설명된 구성과 동일한 부분에 대해서는 설명의 명료성을 위해 동일 부호를 사용한다.

실시예 1

도 1에서 본 발명의 일 실시예인 전자총용 음극은 내부에 히터(4)가 설치된 슬리브(2)의 상측 개구에 설치되는 것으로, Ni을 주성분으로 하며 Si, Mg과 같은 환원성 원소를 미량 함유하여서 된 캡상의 베이스 메탈(6)을 포함한다.

베이스 메탈(6)의 상부에는 W을 주성분으로 하거나, Zr-W 또는 W-Ni로 된 금속층(12)이 형성되고, 또 그 상부에는 적어도 Ba을 포함한 알카리토류 금속 산화물인 (Ba·Sr·Ca)CO₃인 삼원 탄산염 또는 (Ba·Sr)CO₃인 이원 탄산염으로 된 전자방출물질층(8)이 형성되는 것이다.

본 실시예에서는 유리 Ba원자의 생성시 베이스 메탈(6)과 전자방출물질층(8)의 경계면에 축적되는 BaO와 Si 및 Mg의 반응 생성물을 분산시키는 방안으로, 그 경계면의 사이에 W을 주성분으로 하거나, Zr-W 또는 W-Ni로 된 금속층(12)을 형성한다.

본 실시예의 목적물인 금속층(12)은 베이스 메탈(6)의 상부에 스퍼터링(sputtering)법을 이용하여 1,000∼10,000Å의 두께로 W, Zr-W 또는 W-Ni를 형성하고, 이것을 불활성 분위기 또는 진공 분위기에서 700∼1,100℃로 열처리하여 베이스 메탈(6)과 금속층(12)의 사이에 합금화 및 확산이 이루어지도록 함으로써 얻어지는 것이다. W, Zr-W 또는 W-Ni의 도포 방법은 스프레이(spray)법, 인쇄법, 전착법 및 금속염 용액법 등의 물리, 화학, 기계적인 방법에 의해 실현될 수 있다.

이때, 금속층(12)은 도 2에 확대 도시된 바와 같이 베이스 메탈(6)의 평균 입자 보다 작은 입자 크기를 갖도록 형성되는 것이다. 따라서, 상기한 금속층(12)에 의하면 베이스 메탈(6)에 함유된 환원성 원소의 확산 경로 자체가 분산되므로, BaO와 Si 및 Mg의 반응이 금속층(12)의 입자 속의 여러 곳에서 일어나게 되고, 그 반응 생성물인 중간층(10)이 분산되어 축적이 억제되며, 환원성 원소인 Si, Mg의 확산이 원활히 이루어지도록 하여 유리 Ba원자의 생성에 기여하는 것이다.

이렇게 형성된 금속층(12)의 상부에는 통상의 스프레이법에 의해 삼원 탄산염 또는 이원 탄산염을 20∼80㎛의 두께로 형성하는 것이며, 이렇게 된 본 실시예의 음극은 전체 두께가 200㎛을 넘지 않아야 된다.

실시예 2

본 발명의 제 2 실시예인 전자총용 음극은 실시예 1의 전자방출물질층을 대신하여 본 출원인에 의해 선출원된 제 2 전자방출물질층을 사용하는 방안을 제시한 것이다.

즉, 도 1에서 W을 주성분으로 하거나, Zr-W 또는 W-Ni로 된 금속층(12)의 상부에는 적어도 Ba을 포함한 알카리토류 금속 산화물인 (Ba·Sr·Ca)CO₃인 삼원 탄산염 또는 (Ba·Sr)CO₃인 이원 탄산염에 La 화합물과 Mg 화합물이 동시에 또는 La-Mg 복합화합물이 더 포함된 제 2 전자방출물질층(80)이 형성된다.

상기한 La 화합물과 Mg 화합물 또는 La-Mg 복합화합물은 유리 Ba원자의 증발을 억제하여 지속적인 공급이 이루어지도록 하는 것으로 탄산염 중량의 0.01∼1중량%가 가장 바람직한데, 그 함유량이 0.01중량% 이하이면 구동시 유리 Ba원자의 증발 억제 효과가 미미하고, 1중량% 이상이면 초기 구동시 전자방출 특성이 저하될 수 있다.

따라서 본 실시예에 의하면 금속층(12)에 의한 중간층(10)의 분산 작용과 더불어, BaO와 Si 및 Mg의 반응에 의해 생성된 유리 Ba원자의 증발이 제 2 전자방출물질층(80)에 의해 억제되고, 금속 산화물의 소결이 방지되는 것이다.

본 실시예에 의한 금속층(12)은 베이스 메탈(6)의 상부에 1,000∼10,000Å의 두께로 W, Zr-W 또는 W-Ni를 도포하고, 이것을 불활성 분위기 또는 진공 분위기에서 700∼1,100℃로 열처리하여 베이스 메탈(6)과 금속층(12)의 사이에 합금화 및 확산이 이루어지도록 함으로써 얻어지는 것이며, 그 상부에는 삼원 탄산염 또는 이원 탄산염에 La 화합물과 Mg 화합물이 동시에 또는 La-Mg 복합화합물이 더 포함된 제 2 전자방출물질층(80)이 20∼80㎛의 두께로 스프레이 코팅되어서, 본 실시예에 의한 음극의 전체 두께가 200㎛을 넘지 않도록 형성되는 것이다.

실시예 3

도 3에서 본 발명의 제 3 실시예인 전자총용 음극은 베이스 메탈(6)의 상부에 W을 주성분으로 하거나, Zr-W 또는 W-Ni로 된 금속층(12)이 형성되고, 그 상부에는 적어도 Ba을 포함한 삼원 탄산염 또는 이원 탄산염으로 된 전자방출물질층(8)이 형성되고, 또 그 상부에는 적어도 Ba을 포함한 삼원 탄산염 또는 이원 탄산염에 La 화합물과 Mg 화합물이 동시에 또는 La-Mg 복합화합물이 더 포함된 제 2 전자방출물질층(80)이 형성된 구성으로 되어 있다.

본 실시예에서는 전술한 실시예 2에서 W, Zr-W 또는 W-Ni로 된 환원성 원소가 베이스 메탈(6)에 함유된 환원성 원소와 함께 유리 Ba원자의 환원을 재촉하여, 유리 Ba원자의 증발이 과도하게 진행될 수 있는 점을 고려한 것이다.

따라서, 본 실시예는 베이스 메탈(6)과 전자방출물질층(8)의 경계면에 축적되는 탄산염에서 열 분해된 BaO와 Si 및 Mg의 반응 생성물을 분산시키는 방안으로, 그 경계면의 사이에 W을 주성분으로 하거나, Zr-W 또는 W-Ni로 된 금속층(12)을 형성한다.

또한, 본 실시예는 전자방출물질층(8)에서의 유리 Ba원자의 증발 소모를 억제하는 방안으로, 탄산염에 La 화합물과 Mg 화합물이 동시에 또는 La-Mg 복합화합물이 0.01∼1중량% 포함된 제 2 전자방출물질층(80)을 형성한다.

이를 위하여, 본 실시예의 목적물인 금속층(12)은 베이스 메탈(6)의 상부에 1,000∼10,000Å의 두께로 W, Zr-W 또는 W-Ni를 도포하고, 이것을 불활성 분위기 또는 진공 분위기에서 700∼1,100℃로 열처리하여 베이스 메탈(6)과 금속층(12)의 사이에 합금화 및 확산이 이루어지도록 함으로써 얻어진다.

또, 금속층(12)의 상부에는 삼원 탄산염 또는 이원 탄산염으로 된 전자방출물질층(8)을 20∼80㎛의 두께로 코팅하고, 다시 그 상부에 삼원 탄산염 또는 이원 탄산염에 La 화합물과 Mg 화합물이 동시에 또는 La-Mg 복합화합물이 더 포함된 제 2 전자방출물질층(80)을 20∼80㎛의 두께로 코팅하므로, 전체 두께가 200㎛을 넘지 않도록 된 본 실시예의 전자총용 음극을 제조할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예에 의한 전자총용 음극을 음극선관에 조립하고, 그 수명 특성을 검사한 결과가 도 4에 표시되어 있다. 도면에서 A는 금속층(12)이 400∼1,200Å의 두께로 형성되고, 그 상부에 전자방출물질층(8)이 형성되며, 그 상부에는 탄산염에 La-Mg 화합물이 0.5 중량% 포함된 본 실시예의 음극이다. 또, 도면에서 B는 종래의 산화물 음극이다.

수명 검사는 6,000시간 동안 계속적으로 구동되는 상태에서 전자방출 전류의 감소량을 측정한 것으로, 음극 당 2,000∼3,000㎂의 전류로 실시한 것이다.

그 결과 본 발명에 의한 전자총용 음극은 종래 기술에 비해 고전류에서 수명 특성이 월등하게 개선됨을 알 수 있다. 구체적으로 본 발명은 고전류 밀도 구동하에서 6,000 시간 경과후에도 초기 전류값의 95%가 유지됨을 보여주고 있다.

또한, 본 발명의 음극은 구동 초기의 최대음극전류(maximum cathode current; 일정 구동 조건에서 음극에서 방출되는 최대 전류) 보다 일정 시간이 흐를수록 최대음극전류가 증가하는 경향을 보여주고 있다.

이상에서 설명된 실시예를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 전자총용 음극은 종래 기술의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 본 발명은 환원성 원소를 함유하는 베이스 메탈과 탄산염으로 된 전자방출물질층의 사이에 미립자로 된 금속층을 형성한 구성으로 되어, 유리 Ba원자의 생성시 발생되는 반응 생성물을 분산시키고 환원성 원소의 후발 확산 경로를 확보하므로, 유리 Ba원자의 방출을 지속적으로 실현할 수 있다.

또한, 본 발명은 전자방출물질층에 La 화합물과 Mg 화합물이 동시에 또는 La-Mg 복합화합물을 포함하거나, La 화합물과 Mg 화합물이 동시에 또는 La-Mg 복합화합물이 포함된 제 2 전자방출물질층을 더 형성하므로, 유리 Ba원자의 증발 소모를 억제할 수 있다.

따라서 본 발명에 의하면 금속층과 전자방출물질층 또는 제 2 전자방출물질층의 상호 작용에 의해 유리 Ba원자의 방출이 지속되고 증발 소모가 억제되므로, 2∼3A/㎠의 고전류 밀도 부하에서도 수명 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 산화물 음극은 고전류 밀도에서 장수명을 유지하는 것으로 잘 알려져 있지만, 제조 방법이 어렵고 가격이 고가인 함침형 음극을 대체하는 실용성도 얻을 수 있다.

한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 발명에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (18)

1. 니켈을 주성분으로 하고 적어도 일종의 환원성 원소가 함유된 베이스 메탈과, 그 상부에 형성되는 것으로 주성분이 텅스텐으로 된 금속층과, 그 상부에 형성되는 것으로 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물을 함유하여서 된 전자방출물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
2. 제 1 항에 있어서, 금속층은 지르코늄-텅스텐 또는 텅스텐-니켈로 구성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 금속층은 베이스 메탈의 상부에 텅스텐, 지르코늄-텅스텐 또는 텅스텐-니켈을 도포하고, 이것을 열처리하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
4. 제 3 항에 있어서, 금속층은 베이스 메탈의 평균 입자 크기 보다 작은 입자로 형성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
5. 제 1 항에 있어서, 금속층은 1,000~10,000Å의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
6. 제 5 항에 있어서, 베이스 메탈과 금속층과 전자방출물질층의 전체 두께는 50∼200㎛의 범위로 형성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
7. 제 1 항에 있어서, 전자방출물질층에는 란타늄 화합물과 마그네슘 화합물이 동시에 또는 란타늄-마그네슘 복합화합물이 더 포함된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
8. 제 7 항에 있어서, 금속층은 지르코늄-텅스텐 또는 텅스텐-니켈로 구성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 금속층은 베이스 메탈의 상부에 텅스텐, 지르코늄-텅스텐 또는 텅스텐-니켈을 도포하고, 이것을 열처리하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
10. 제 9 항에 있어서, 금속층은 베이스 메탈의 평균 입자 크기 보다 작은 입자로 형성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
11. 제 7 항에 있어서, 금속층은 1,000~10,000Å의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
12. 제 11 항에 있어서, 베이스 메탈과 금속층과 전자방출물질층의 전체 두께는 50∼200㎛의 범위로 형성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
13. 제 1 항에 있어서, 전자방출물질층의 상부에는 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물에, 란타늄 화합물과 마그네슘 화합물이 동시에 또는 란타늄-마그네슘 복합화합물이 포함되어 얻어진 제 2 전자방출물질층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
14. 제 13 항에 있어서, 금속층은 지르코늄-텅스텐 또는 텅스텐-니켈로 구성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 금속층은 베이스 메탈의 상부에 텅스텐, 지르코늄-텅스텐 또는 텅스텐-니켈을 도포하고, 이것을 열처리하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
16. 제 15 항에 있어서, 금속층은 베이스 메탈의 평균 입자 크기 보다 작은 입자로 형성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
17. 제 13 항에 있어서, 금속층은 1,000~10,000Å의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
18. 제 17 항에 있어서, 베이스 메탈과 금속층과 전자방출물질층과 제 2 전자방출물질층의 전체 두께는 50∼200㎛의 범위로 형성된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.

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