KR100294484B1 - 전자관용음극 - Google Patents

Abstract

전자관용 음극이 개시된다. 슬리이브의 내부에 구비된 컵과, 상기 컵의 내부에, BaO, SrO 및 CaO로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 알칼리토류 금속 산화물, Ni, W, Mg, Si 및 Mo으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 환원성 물질 및 Ba 복합 산화물을 포함하는 전자방출물질로 이루어진 펠렛을 포함하되,

상기 알칼리토류 금속 산화물에 산화유로퓸(Eu₂O₃), 산화란타늄(La₂O₃) 및 산화스칸듐(Sc₂O₃)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 산화물을 전자방출물질 총량을 기준으로 하여 0.1 내지 20 중량% 더 포함시킨 것을 특징으로 하는 전자관용 음극이 개시되는데, 이는 장수명을 가지면서도 높은 전류밀도를 갖는 것이다.

Description

전자관용 음극

제1도는 종래의 산화물 음극의 개략적인 단며도이고,

제2도는 본 발명에 따른 전자관용 음극의 개략적인 단면도이고,

제3도는 종래의 음극 및 본 발명에 따른 음극의 수명특성을 비교하여 나타낸 그래프이고,

제4도는 종래의 음극 및 본 발명에 따른 음극의 동작 온도에 따른 전류밀도를 비교하여 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 금속기체 2 : 슬리이브

3 : 히이터 4 : 전자방출물질층

5 : 펠렛 6 : 컵

본 발명은 수상관이나 촬상관 등에 사용되는 전자관용 음극에 관한 것으로서, 특히 고전류밀도 및 장수명을 갖는 신규한 전자관용 음극에 관한 것이다.

종래 수상관 등에 사용되고 있는 전자관용 열전자 방출 음극에는 니켈(Ni)을 주성분으로 하고 실리콘(Si), 마그네슘(Mg) 등을 환원제로서 미량 함유시킨 금속기체 상에, 바륨(Ba)을 주성분으로 하는 알칼리토류 금속 산화물층을 형성시킨 소위 '산화물 음극'이 널리 사용되고 있다. 이 산화물 음극은 금속기체 중의 환원제와 산화물의 반응을 통해 산화물로부터 유리 원자를 생성시켜 이 유리원자로 하여금 전자를 방출하도록 한 것이다.

제1도에는 이와 같은 종래의 산화물 음극을 나타내었는데, 이는 원판상의 금속기체(1)와 원관상의 슬리이브(2) 및 금속기체(1)의 상부에 피복 형성되고 바륨화합물을 주성분으로 하는 전자방출물질층(4)으로 구성되어 있다. (3)은 음극 가열용 히이터이다.

상기 구성 요소 중에서 전자방출물질층은 다음과 같은 공정에 따라 형성된다. 즉, 니트로셀룰로오즈 등을 용해시킨 유기용제에 탄산바륨을 주성분으로 하는 탄산염 분말을 혼합한 뒤, 스프레이나 전착 등의 방법으로 금속기체상에 피착 형성한다. 이같은 음극은 전자총에 장착되어 전자관 내로 조립되는데, 전자관 내를 진공으로 하기 위한 배기공정에서 음극은 히이터에 의해 약 1000℃로 가열, 승온되고 이 때 탄산바륨은 다음식에 표시된 바와 같이 열분해 하여 산화바륨으로 변환되다.

BaCO₃→BaO + CO₂↑ (1)

생성된 상기 산화바륨은 음극 동작중 금속기체와 접촉되는 경게에서 금속기체 중의 환원제인 Si, Mg와 다음과 같이 환원방응을 일으킨다.

BaO + Mg →MgO + Ba↑ (2)

4BaO + Si →Ba₂SiO₄+ 2Ba↑ (3)

상기와 같이 생성된 유리 Ba이 전자방출에 기여하는데, 이 때 상기식 (2), (3)에 표시된 바와 같이 MgO, BaSiO₄등도 전자방출물질층과 금속기체와의 경계에 생성된다. 이 반응 생성물은 경계 부근에 점차 축적되어 '중간층' 이라 불리우는 장벽으로 되기 때문에, Mg나 Si의 확산을 방해하게 되고 이에 따라 전자방출에 기여하는 유리 Ba의 생성이 곤란하게 된다. 따라서 이 중간층은 산화물 음극의 수명단축등 수명에 좋지 못한 결과를 초래하게 된다. 또한 이 중간층은 고저항을 갖고 전자방출 전류의 흐름을 방해하기 때문에 방출가능 전류밀도를 제한한다는 문제점도 있어, 고휘도화, 초대형화 되어 가는 음극선관의 전류밀도를 만족시키지 못하게 된다.

이러한 요구에 부응한 것이 함침형 음극으로서, 환원성 분위기나 진공분위기 하에서 전자방출물질을 녹여 다공질 기체에 함침시켜 제조되는 것이다. 이러한 음극은 높은 전류밀도와 장수명 특성은 실현할 수 있었으나, 제조공정이 복잡할 뿐 아니라 동작 온도가 탄산염 음극에 비해 약 300∼400℃ 정도 높은 약 1100℃ 이상으로서 사용되는 전자총의 전극재질이 고융점 재질로 바뀌어야 하므로 가격이 고가라는 점이 커다란 단점으로 작용하고 있다.

본 발명의 목적은 상기한 문제점을 감안하여, 종래의 산화물 음극에 있어서 중간층으로 인하여 갖게 되는 수명저하의 문제를 해결하여 장시간에 걸쳐 안정된 전자방출 특성을 가지며, 고저류밀도를 갖는 전자관용 음극을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, BaO, SrO 및 CaO로 이루어진 군에서 선태된 적어도 하나의 알칼리토류 금속산화물과 상기 알칼리토류 금속산화물에 전자방출물질 총량을 기준으로 하여 0.1 내지 20중량%를 더 포함시킨 산화유로퓸(Eu₂O₃), 산화란타늄(La₂O₃) 및 산화스칸듐(Sc₂O₃)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 산화물과 Ni, W, Mg, Si 및 Mo으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 환원성 물질 및 Ba 복합 산화물을 포하하는 전자방출물질로 이루어진 펠렛과;

상기 펠렛을 수용하는 내열성 금속재질의 컵과;

내부 상단에 상기 컵이 부착되는 슬리이브와;

상기 슬리이브의 내부에 상기 컵을 가열하는 히이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자관용 음극을 제공한다.

상기 본 발명의 음극은 바람직하게 BaCO₃, SrCO₃및 CaCO₃로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 탄산염 및 Ni, W, Mg, Si 및 Mo으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 환원성 물질을 성형하여 펠렛을 제조하는 단계, 상기 펠렛에 내열성 금속으로 이루어진 컵을 씌우는 단계 및 상기 컵을 슬리이브에 부착시키는 단계를 거쳐 제조된다.

한편, 상기 전자방출물질에는 Ba 복합 산화물이 더 포함될 수 있는데, BaO·CaO·Al₂O₃, Ba₃Ga₂O₆, Ba₃Ir₂O₆, Ba₄Ir₄O₇, Ba₂V₂O₇, Ba₃In₂O₆및 BaBeO₂로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 Ba 화합물이 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명의 음극은 종래의 산화물 음극의 금속기체 부분을 제거하고 컵에 씌워진 전자방출물질의 펠렛을 삽입하여 슬리이브의 내부 상단에 저항 또는 레이저 용접 등의 방법으로 고착시킨 것으로서, 매우 실용적이며 그 제조방법이 용이한 것이다.

이하 본 발명의 전자관용 음극을 제2도를 참고로 하여 그 제조공정에 따라 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 바륨을 주성부으로 하는 알칼리토류 금속의 탄산염과 환원성금속을 중량비로 1:9, 2:8, 3:7, 4:6으로 혼합하여 유발로 균일하게 섞는다. 이 때 환원성 금속으로는 Ni, Mg, W, Si 및 Mo으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속으로, 그 크기는 2∼7㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 이를 진공 또는 수소분위기 등과 같은 환원성 분위기 하에서 열처리하여 사용한다.

본 발명의 음극은 상기 탄산염에 전자방출특성의 향상을 위하여 희토류계 화합물인 산화유로퓸(Eu₂O₃), 산화란타늄(La₂O₃) 및 산화스칸듐(Sc₂O₃)으로 이루어진 군으로 선택된 적어도 하나의 산화물을 전자방출물질 총량을 기준으로 하여 0.1 내지 20 중량% 더 포함시키게 된 것이다.

여기에 더하여 음극의 동작온도를 낮춰주고 안정된 전자방출을 유도하기 위하여, 바람직하게는 BaO·CaO·Al₂O₃, Ba₃Ga₂O₆, Ba₃Ir₂O₆, Ba₄Ir₄O₇, Ba₂V₂O₇, Ba₃In₂O₆및 BaBeO₂로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 바륨 복합 산화물을 가하여 유발로 더욱 혼합한다. 이 물질들로부터는 바륨이 서서히 공급되기 때문에 음극의 동작 시간이 경과하는 것에 따라 전자방출 특성이 감쇄하는 현상을 보상해주고 안정된 전자방출 특성을 보여주는 효과가 있다. 이 때 탄산염과 바륨 복합 산화물의 혼합비는 7:3 내지 1:1인 것이 바람직하다.

얻어진 혼합물을 일정 크기로 프레스 성형한다. 본 발명자의 반복적인 실험 결과, 성형은 5∼10 ton/㎠의 압력으로 프레스 성형하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다. 프레스 성혀시 서형 압력에 따라 펠렛의 기공율을 제어할 수 있는데, 이를 통해 과다한 바륨 증발에 의한 음극의 수명감소, 전류밀도 저하를 방지할 수 있게 된다. 이는 펠렛의 기공율이 클수록 전류밀도는 높아지지만 바륨의 증발량이 많아 수명이 짧아지며, 기공율이 작을수록 반대로 수명특성은 향상되지만 고전류밀도를 얻을 수 없다는 상보적인 효과를 갖고 있기 때문이다. 본 발명자는 반복적인 실험 결과 펠렛의 기공율이 약 18 내지 40%일 때 적정한 전류밀도 특성과 수명특성을 제공해 주는 음그을 제조할 수 있음을 알 수 있었다.

얻어진 펠렛을 진공분위기 또는 환원성 분위기하에서 열처리하는 것이 바람직한데, 이는 탄산염 속에 들어있는 CO₂를 분해시켜 활성화시킴으로써 조립후 별도의 분해공정을 거치지 않고서 바로 사용할 수 있도록 하기 위해서이다. 열처리는 800∼1000℃의 온도에서 30∼90분동안 수행하는 것이 적당하다.

상기와 같이 성형하여 얻어진 펠렛(5)을 내열성 금속의 컵(6)으로 씌운다. 컵(6)을 슬리이브(2)의 내부 상단에 레이저 용접하고 슬리이브의 내부에 히이터(3)를 내장하여 제2도에 나타난 바와 같은 본 발며의 음극을 완성하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하기로 하되, 본 발명이 하기의 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

Ba:Sr:Ca의 중량비가 57:39:4인 3원 탄산염에 Ni을 첨가하고 유발을 사용하여 혼합한다. BaCO₃, Al₂O₃및 CaCO₃을 소정의 몰비로 혼한한후 소성하여 얻어지는 바륨·칼슘·알루미네이트 (BaO·CaO·Al₂O₃) 화합물을 상기 탄산염과의 혼합 총량을 기준으로 30중량% 취하여 상기 혼합물에 가하고, 여기에 전자방출물질 총량을 기준으로하여 1중량%의 산화유로퓸(Eu₂O₃)을 상기 혼합체에 가하여 유발로 더욱 혼합한다. 얻어진 혼합체를 금속 몰드에 충전시키고 프레스를 사용항 약 10톤/㎠의 압력을 가하여 성형하여 펠렛을 완성한다. 상기 펠렛을 수소분위기하, 약 900℃의 온도에서 약 50분간 열처리하다. 열처리된 펠렛을 내열성 금속 컵으로 씌우고 이를 슬리이브의 내부 상단에 제2도에 나타난 바와 같이 레이저 용접한다. 상기 슬리이브 내에 히이터를 내장하여 본 발명에 따른 전자관용 음극을 얻는다.

제3도에는 종래의 음극 및 상기 본 발명의 실시예에 따른 음극의 수명특성을 비교하여 나타내었다. 그래프에서 a는 종래의 함침형 음극에 대한 것이고, b는 본 발명의 전자관용 음극에 대한 것이며, c는 종래의 산화물 음극에 대한 것이다. 그래프로부터 본 발명의 음극은 수명 특성이 종래의 함침형 음극 보다는 약간 낮지만 유사하며, 종래의 산화물 음극 보다 월드의 우수한 효율을 갖고 있다는 것을 확인할 수 있다.

제4도는 종래의 음극 및 본 발명에 따른 음극의 동작 온도에 따른 전류밀도를 비교하여 나타낸 그래프이다. 도면에서 a는 종래의 함침형 음극에 대한 것이고, b는 본 발명의 음극에 대한 것이며, c는 종래의 산화물 음극에 대한 것이다. 전류밀도는 함침형 음극이 가장 높지만 동작온도가 약 1100℃로서 너무 높으며, 종래의 산화물 음극은 동작 온도는 낮지만 전류밀도가 낮아 바람직하지 못하다는 것을 알 수 있다. 반면에 본 발명의 음극은 함침형 음극에 비해 약 200℃ 정도나 낮은 온도에서 동작하지만 전류밀도는 함침형 음극과 거의 같은 높은 수준의 것으로서 실용성이 매우 우수한 것임을 확인할 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 음극은 안정한 전자방출이 가능하며 약 800∼900℃의 낮은 동작온도를 갖는다. 이는 함침형 음극과 비교할 때 약 200℃ 정도 낮아진 것으로서, 고융점 금속 재료를 사용할 필요가 없게 되어 비용이 절감되는 효과가 얻을 수 있게 된다.

또한 중간층의 생성이 억제되어 약 6∼8A/㎠의 높은 전류밀도를 얻을 수 있을 뿐 아니라 수명 또한 기존 산화물 음극에 비해 매우 길어진 것으로 극히 실용적인 것이라 할 수 있다.

Claims (4)

1. BaO, SrO 및 CaO로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 알칼리토류 금속산화물과 상기 알칼리토류 금속산화물에 전자방출물질 총량을 기준으로 하여 0.1 내지 20중량%를 더 포함시킨 산화유로퓸(Eu₂O₃), 산화란타늄(La₂O₃) 및 산화스칸듐(Sc₂O₃)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 산화물과 Ni, W, Mg, Si 및 Mo으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 환원성 물질 및 Ba 복합 산화물을 포함하는 전자방출물질로 이루어진 펠렛과;

   상기 펠렛을 수용하는 내열성 금속재질의 컵과;

   내부 상단에 상기 컵이 부착되는 슬리이브와;

   상기 슬리이브의 내부에 상기 컵을 가열하는 히이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자관용 음극.
2. 제1항에 있어서, 상기 Ba 복합 산화물이 BaO·CaO·Al₂O₃, Ba₃Ga₂O₆, Ba₃Ir₂O₆, Ba₄Ir₄O₇, Ba₂V₂O₇, Ba₃In₂O₆및 BaBeO₂로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 Ba 화합물인 것을 특징으로 하는 전자관용 음극.
3. 제1항에 있어서, 상기 펠렛은 기공율이 18 내지 40%가 되도록 프레스성형된 것을 특징으로 하는 전자관용 음극.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알칼리토류 금속 산화물과 Ba 복합 산화물의 혼합비가 7:3 내지 1:1인 것을 특징으로 하는 전자관용 음극.