KR100308218B1

KR100308218B1 - 함침형음극과그제조방법

Info

Publication number: KR100308218B1
Application number: KR1019980027678A
Authority: KR
Inventors: 사토루 나카가와
Original assignee: 모리시타 요이찌; 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2001-12-17
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: US20010019239A1; JPH1131451A; EP0890972A1; EP1267377B1; US6705913B2; CN1516213A; DE69817702T2; US6376975B1; KR19990013735A; CN1139093C; KR100411461B1; JP3696720B2; US6306003B1; TW393657B; EP0890972B1; DE69819792T2; CN1205538A; DE69817702D1; EP1267377A1; ATE249092T1

Abstract

본 발명은 다공질 금속 소결체의 공구멍율(空孔率)을 전자방출면으로 부터 깊이 방향으로 감에 따라 연속적으로 증대시킴으로써, 초기 전자 방사성능, 수명성능 및 전자총의 절연성능이 우수하고, 양산에 적합한 함침(含浸)형 음극 및 그 제조방법을 제공하는 것으로써, 금속원재료 분말(1)의 압축 소결체의 펠릿은 내부에 공구멍(空孔)을 가지고, 그 공구멍은 전자 방사물질(2)로 채워지며, 공구멍율은 전자 방출면(3)으로 부터 반대측(화살표5방향)으로 감에 따라 연속적으로 높아진다. 이에따라, 펠릿 내부에서의 공구멍율의 불연속면이 형성되지 않으므로, 자유Ba를 창출하는 화학반응이 펠릿 전체에서 연속적이고 원활하게 진행되게 된다. 또한, 다수종의 입자도분포의 원재료 분말을 사용할 필요가 없으므로, 제조공정을 간소화할 수 있다. 또한, 공구멍율 및 공구멍율 분포를 일정한 범위내로 함으로써, 수명특성등의 여러 성능을 양호하게 할 수 있다.

Description

함침형 음극과 그 제조방법{IMPREGNATED CATHOD AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은, 전자관에 이용하는 함침형 음극과 그 제조방법에 관한 것이다.

함침형 음극은 다공질 금속 소결체(펠릿)의 공구멍안에 전자방사물질을 함침시킨 기본구조를 가진다. 함침형 음극을 제조하기 위해서는 우선 텅스텐등의 고융점 금속분말을 프레스 성형하고, 그 후 소결함으로써 적당한 공구멍을 가진 환원성을 가지는 기체(基體)를 형성한다. 다음에, BaO, CaO 및 Al₂O₃를 주재료로 하는 전자방사물질을, 기체의 공구멍에 용융 함침하면, 음극 펠릿으로써 완성된다. 이 음극 펠릿에는 소결체의 체적과 공구멍율 즉 공구멍 체적에 따른 전자방사 물질량이 함침되어 있다.

이하, 음극 펠릿의 동작원리에 대해 설명한다. 음극 펠릿은 고온 활성화에 따라 BaO가 펠릿으로 환원되어 자유Ba가 형성된다. 이 자유Ba는 공구멍안을 열확산하여, 표면에 도달한다. 그 후, 펠릿 표면을 열확산함으로써, 펠릿 표면에 Ba 단원자층을 형성한다. 이 때, 펠릿의 온도에 의존한 단원자층으로 부터의 Ba 증발량과 펠릿 내부에서의 Ba공급량과의 차감에 따른 면적에 단원자층이 확산된다. 이 Ba 단원자층은 전자방출에 관한 실효운동함수를 펠릿 형성 금속 자신의 4∼5eV에서 약2eV까지 저감시켜, 양호한 열전자 에미션을 제공한다.

동작시에 펠릿 내부로부터의 Ba공급이 적으면, 필요충분한 면적의 Ba단원자층이 형성될 수 없어 에미션이 부족하다. 또한, 활성화에 시간이 걸리는등의 폐해가 발생한다.

반대로, Ba 공급이 불필요하게 많으면, 표면에서의 증발이 증가하여 펠릿내부의 함침BaO를 단시간에 소비하여, 수명이 짧아진다. 또한, 증발Ba가 대향전극에 부착되어, 불필요 전자방사의 원인이 되는등의 폐해가 발생한다.

함침형 음극 동작의 최대 포인트는 필요충분한 Ba 단원자층을 빠르게 형성하고, 또한 장시간 유지시키는데 있다. Ba 단원자층 형성의 요인은 함침BaO량, 함침BaO의 펠릿에 의한 환원의 속도, 공구멍중의 자유Ba의 열확산 속도, 및 전자방사 표면에서의 Ba의 표면 열 확산 속도이다.

그리고, 이들 동작을 제어하는 설계 파라미터는 전자방사 물질 함침량, 펠릿의 공구멍율과 그 공간분포 및 전자방사면의 청정 즉 잉여전자 방사물질이 부착되지 않은 것이다. 이들 파라미터를 정밀하게, 또한 편차를 적게 제어하는 것이 양산에 있어 가장 중요한 과제가 된다.

상기와 같은 원리적 배경에 의거하여, 일본국 특공소44-10810호 공보에는, 여분의 전자방사물질의 증발을 억제하고, 전자총의 절연부분의 전류 누설을 적게하고, 또한 양호한 Ba 단원자층을 장시간 유지하여 그 수명을 연장할 수 있는 함침형 음극이 제안되고 있다.

이것은, 펠릿의 전자방출면측을 저공구멍율의 제1층으로써 증발을 억제하고, 그 아래에 고공구멍율의 제2층을 배치한 2층 구조로 함으로써, 제1층의 Ba공급능력이 다된 이후(수명종료 이후)에 있어서도 제2층에서 제1층으로 Ba공급을 행할 수 있고, 본래의 제1층이 가지는 수명보다 더 수명을 연장시킨 것이다.

또한, 일본국 특개평6-103885호 공보에는, 함침후에 부착된 잉여전자 방사물질의 제거를 행하기 쉽게 하기 위해, 기체의 표면 거칠기를 5㎛이하, 바람직하게는 완전평면으로 하는 것이 제안되고 있다.

또한, 일본국 특개소58-87735호 공보에는, 전자방사 물질 함침량의 확보를 위해, 압축전자 방사물질을 개개의 펠릿의 상표면에 얹어 용융 함침을 행하는 제조방법이 제안되고 있다.

또한, 일본국 특개평6-103885호 공보에는, 전자방사물질 함침량의 안정 양산화를, 펠릿 금속원재료 분말을 분급(分級)하여 펠릿의 공구멍율을 제어함으로써 행하는 것이 제안되고 있다.

또한, 함침후에 부착된 잉여전자 방사물질을 제거하기 위한 브러시, 금속침등을 이용하는 기계적 방법, 절삭등에 의한 연마, 물안에서의 초음파 세정등이 종래부터 제안되고 있다.

또한, 일본국 특개소50-103967호 공보에는, 펠릿을 한개씩 특수한 치구에 설치하고, 청정한 물안에서 초음파세정을 행하는 방법이 제안되고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 함침형 음극에는, 이하와 같은 문제가 있었다.

(1) 펠릿을 2층 구조로 한 것은, 이것을 제조하기 위해 입자도 분포가 다른 2종의 원재료 분말을 사용하거나, 2번의 프레스 성형을 행할 필요가 있어, 생산공정이 복잡했다.

(2)펠릿을 1개씩 처리하거나, 원재료 분말을 분급하는 방법에서는, 생산성이 낮아, 양산이 곤란했다.

(3)브러시, 금속침등으로 기계적으로 잉여전자 방사물질을 제거하는 방법은, 실시가 곤란하고, 또한 펠릿마다의 처리가 필요해지므로, 양산이 곤란했다.

(4)특수한 치구에 소결후의 펠릿을 한개씩 설치하는 공정은 번잡하고, 또한, 초음파 세정만으로 잉여전자 방사물질을 완전하게 제거하기 위해서는 1시간 이상의 세정시간이 필요해, 양산화가 곤란했다.

본 발명은, 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것이고, 다공질 금속소졀체의 공구멍율을 전자방출면으로부터 깊이방향으로 감에 따라 연속적으로 증대시킴으로써, 초기전자 방사성능, 수명성능, 및 전자총의 절연성능이 우수하고, 또한 양산에 적합한 함침형 음극 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태의 단면 개념도,

도2는 본 발명의 함침형 음극의 제조공정의 일실시형태를 도시하는 플로우 챠트,

도3은 본 발명의 함침형 음극의 제조방법에 이용하는 평미레(摺切)용 카트리지 및 프레스 다이의 일실시형태를 도시하는 단면도,

도4는 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태의 전자방출면 공구멍율과 포화전류 및 증발량과의 관계를 도시하는 도면,

도5는 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태의 공구멍율차와 수명과의 관계를 도시하는 도면,

도6은 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태의 평균 공구멍율과 공구멍율차의 관계를 도시하는 도면,

도7은 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태의 전자 방출면의 표면 거칠기와 포화전류의 상대치와의 관계를 도시하는 도면,

도8은 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태의 금속원료 분말 충전량과 펠릿중량 편차와의 관계를 도시하는 도면,

도9는 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태의 원재료 분말의 가열온도와 펠릿 중량 편차와의 관계를 도시하는 도면,

도10은 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태의 프레스 성형후의 다공질 기체의 평균 공구멍율과 전자방사물질의 함침량 및 펠릿 파손율과의 관계를 도시하는 도면,

도11은 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태의 프레스 성형후의 평균 공구멍율과 소결후의 평균 공구멍율과의 관계를 도시하는 도면,

도12는 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태의 함침용기에의 전자방사물질 충전량과 펠릿 함침량의 편차와의 관계를 도시하는 도면,

도13은 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태의 함침시의 펠릿배치와 펠릿 함침량과의 관계를 도시하는 도면,

도14는 본 발명의 함침형 음극의 일실시형태 및 비교예의 쉐이킹(shaking) 시간과 펠릿 함침량과의 관계를 도시하는 도면이다.

<부호의 설명>

1 : 금속원재료 분말 2,22 : 전자방사물질

3 : 전자방출면 4 : 전자방출방향

6 : 평미레용 카트리지 7 : 원재료분말

8 : 펀치 9 : 프레스다이의 관통공부

9a : 프레스다이 표면 10 : 접촉면

11 : 외측측면

12 : 소결후 평균 공구멍율d=10체적%에 있어서의 프레스 성형 후 평균 공구멍율과 함침량과의 관계를 도시하는 선.

13 : 소결후 평균 공구멍율d=20체적%에 있어서의 프레스 성형 후 평균 공구멍율과 함침량과의 관계를 도시하는 선.

14 : 소결후 평균 공구멍율d=30체적%에 있어서의 프레스 성형 후 평균 공구멍율과 함침량과의 관계를 도시하는 선.

15 : 소결후 평균 공구멍율d=10체적%에 있어서의 프레스 성형 후 평균 공구멍율과 파손율과의 관계를 도시하는 선.

16 : 소결후 평균 공구멍율d=20체적%에 있어서의 프레스 성형 후 평균 공구멍율과 파손율과의 관계를 도시하는 선.

17 : 소결후 평균 공구멍율d=30체적%에 있어서의 프레스 성형 후 평균 공구멍율과 파손율과의 관계를 도시하는 선.

18 : 소결후 평균 공구멍율d와 프레스 성형후 평균 공구멍율D가 D=d+10의 관계를 만족하는 선.

19 : 소결후 평균 공구멍율d와 프레스 성형후 평균 공구멍율D가 D=d+20의 관계를 만족하는 선.

20 : 함침용기 21 : 펠릿

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 첫번째 함침형 음극은, 다공질 금속 소결체의 공구멍부에 전자방사물질을 함침시킨 음극 펠릿을 구비한 함침형 음극으로써, 상기 다공질 금속 소결체의 공구멍율은 전자방사면으로 부터 깊이방향으로 감에 따라 연속적으로 증대하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 함침형 음극에 의하면, 펠릿 내부에서의 공구멍율의 불연속면이 형성되지 않으므로, 자유Ba를 산출하는 화학반응이 펠릿 전체에서 연속적이고 원활하게 진행되게 된다. 또한, 다수종의 입자도 분포의 원재료 분말을 사용할 필요가 없으므로, 제조공정을 간소화할 수 있다.

상기 첫번째 함침형 음극에 있어서는, 상기 다공질 금속 소결체의 전자방출면의 공구멍율이 12.5∼25체적%이고, 상기 전자방출면 근방의 공구멍율과 그 반대측면 근방의 공구멍율과의 차가 5∼25체적%의 범위내이고, 또한, 상기 전자방출면의 반대측면의 공구멍율이 40체적%미만인 것이 바람직하다. 상기와 같은 함침형 음극에 의하면, 양호한 수명성능을 얻을 수 있다.

또한, 상기 음극 펠릿의 전자방출면의 표면 거칠기는 최대 높이가 5∼20㎛범위내인 것이 바람직하다. 상기와 같은 함침형 음극에 의하면, 에미션 성능을 높힐 수 있다.

다음에, 본 발명의 첫번째 함침형 음극의 제조방법은, 다공질 금속 소결체의 공구멍부에 전자방사물질을 함침시킨 음극 펠릿을 구비한 함침형 음극의 제조방법으로써, 금속원료분말을 프레스 성형하여 다공질 기체를 형성하는 프레스 성형공정을 포함하고, 상기 금속원료분말을 평미레용 카트리지에 충전한 후, 평미레칭량에 의해 다이에 충전하고, 펀치에 의한 프레스 성형을 하고, 상기 카트리지의 상기 다이 표면에의 용접면이 원환형상이고, 또한, 상기 카트리지의 외측측면은 선단부가 상기 다이표면과 접하는 경사면을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 함침형 음극의 제조방법에 의하면, 평미레칭량을 정확하게 행할 수 있고, 카트리지내의 원재료 분말의 입자도 분포를 프레스 다이 내부로 충전되는 원재료 분말의 입자도 분포에 정확하게 반영할 수 있으므로, 펠릿의 공구멍율이나 전자방사물질의 함침량의 제조 편차를 저감시킬 수 있다.

상기 첫번째 함침형 음극의 제조방법에 있어서는, 상기 원환형상의 내주의 직경이 펠릿 직경의 10∼20배의 범위내에서, 상기 원환형상의 외주의 직경이 상기 내주의 직경의 1.05∼1.3배의 범위내에서, 상기 경사면과 상기 다이 표면이 이루는 각이 40∼80도의 범위내인 것이 바람직하다.

또한, 상기 카트리지에 충전하는 금속원료 분말의 양을 음극 펠릿의 200∼800개분에 상당하는 량으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 평미레칭량시 및 프레스시의 상기 금속원재료 분말을 50∼100℃의 범위내의 온도로 가열하는 것이 바람직하다.

또한, 펀치와 금속원료분말이 접하는 면을 음극 펠릿의 전자방출면으로 하고, 펀치와 금속원료분말이 접할 때의, 펀치의 다이에 대한 상대속도를 0.5∼5cm/s의 범위내로 하고, 또한 가압시간을 1∼7초의 범위내로 하는 것이 바람직하다.

다음에, 본 발명의 두번째 함침형 음극의 제조방법은, 다공질 금속 소결체의 공구멍부에 전자방사물질을 함침시킨 음극 펠릿을 구비한 함침형 음극의 제조방법으로써, 금속원료분말을 프레스 성형하여 다공질 기체를 형성하는 프레스 성형공정과, 상기 다공질 기체를 소결하여 다공질 금속 소결체를 형성하는 소결공정을 포함하고, 프레스 압력을 조절함으로써 프레스 성형후의 상기 다공질 기체의 평균 공구멍율을 제어하고, 소결온도를 조절함으로써 소결후의 상기 다공질 금속 소결체의 평균 공구멍율을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 함침형 음극의 제조방법에 의하면, 입자도 분포가 다른 원재료 분말을 이용하지 않아, 다층으로 성형할 필요도 없고, 통상의 공정으로 용이하게 펠릿전체의 평균 공구멍율을 제어할 수 있다.

상기 두번째 함침형 음극의 제조방법에 있어서는, 상기 프레스 성형공정에 있어서, 펀치의 강하속도와 가압시간을 조절함으로써 상기 다공질 금속 소결체의 공구멍율 분포를 제어하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 함침형 음극의 제조방법에 의하면, 입자도 분포가 다른 원재료 분말을 이용하지 않고, 또한 다층으로 성형할 필요도 없어, 통상의 공정으로 용이하게 펠릿의 공구멍율분포를 제어할 수 있다.

또한, 프레스 성형후의 상기 다공질 기체의 평균 공구멍율(D체적%)과 소결후의 상기 다공질 금속 소결체의 평균 공구멍율(d체적%)간에 이하의 관계가 있는 것이 바람직하다.

d + 10 ≤ D ≤ d+20

상기와 같은 함침형 음극의 제조방법에 의하면, 기계적 강도를 유지하면서 폐쇄 공구멍의 발생을 억제하여 일정한 함침량을 확보한 펠릿을 제조할 수 있다.

다음에, 본 발명의 세번째 함침형 음극의 제조방법은, 다공질 금속 소결체의 공구멍부에 전자방사물질을 함침시킨 음극 펠릿을 구비한 함침형 음극의 제조방법으로써, 상기 전자방사물질의 용융시에 상기 다공질 금속 소결체의 전표면에 상기 전자방사물질이 접촉하도록, 상기 다공질 금속 소결체와 상기 전자방사물질을 함침 용기에 배치하여, 상기 전자방사물질을 상기 다공질 금속 소결체의 공구멍부에 함침시키는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 함침형 음극의 제조방법에 의하면, 함침량 부족의 발생을 방지할 수 있어, 안정된 함침을 행할 수 있다.

상기 세번째 함침형 음극의 제조방법에 있어서는, 함침용기의 깊이를 균일하게 하여 전자방사물질을 충전하고, 상기 전자방사물질의 깊이방향의 대략 중앙부 또는 상기 전자방사물질의 최상면상에 상기 다공질 금속 소결체를 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 함침용기에 충전하는 상기 전자방사물질의 중량이 함침용기내에 배치된 다공질 금속 소결체에 함침될 수 있는 중량의 10∼100배의 범위내인 것이 바람직하다. 상기와 같은 함침형 전극의 제조방법에 의하면, 함침량 편차를 저감시킬 수 있다.

또한, 함침 처리후의 음극 펠릿을 알루미늄 볼과 함께 용기에 넣어 쉐이킹 한 후, 물안에서 초음파 세정을 행함으로써, 잉여전자 방사물질을 제거하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 함침형 음극의 제조방법에 의하면, 파손율을 억제하면서 잉여전자 방사물질을 제거할 수 있어, 함침량의 편차도 저감시킬 수 있다.

<발명의 실시형태>

이하, 본 발명의 일실시형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다.

(실시형태1)

도1은 본 발명의 실시형태1에 관한 함침형 음극 펠릿의 단면의 개념도를 도시하고 있다. 본 실시형태의 펠릿은 금속 원재료 분말(1)의 압축 소결체이고, 내부에 공구멍을 가지고, 그 공구멍은 전자방사물질(2)로 채워져 있다. 화살표4는 전자방출방향이다. 공구멍율은 전자방출면(3)으로부터 그 반대측(화살표5방향)으로 감에 따라 연속적으로 높아지고 있다. 또한, 전자방출면(3)의 표면 거칠기(A)(최대 높이)는 5∼20㎛의 범위내로 유지된다.

도2는, 실시형태1에 관한 함침형 음극의 제조방법의 제조공정의 플로우 챠트를 도시하고 있다. 금속 원재료 분말을 평미레칭량 한 후, 프레스 성형을 행한다. 그 성형체를 수소 또는 진공중에서 1500∼2200℃범위내의 온도로 소결한다. 그 소결체를, 1500∼1800℃범위내의 온도로 전자방사물질과 함께 가열하면, 전자방사물질이 용융하여, 펠릿 내부의 공구멍에 함침된다. 그 후, 펠릿에 부착된 잉여전자 방사물질을 제거하고, 표면 코팅공정을 거쳐 완성 펠릿이 된다.

이하, 실시형태1에 관한 함침형 음극의 제조방법의 일예에 대해 더 구체적으로 설명한다. 우선, 원재료 분말의 평미레칭량을 행했다. 도3은 본 실시형태에 관한 함침형 음극의 제조방법에 이용하는 평미레용 카트리지(이하 「카트리지」) 및 프레스 다이의 단면도를 도시하고 있다, 다공질 기체의 원재료로써, 입자직경이 1∼10㎛의 범위내의 텅스텐 분말을 이용했다. 원재료 분말(7)을 프레스 다이의 표면부(9a)상의 카트리지(6)에 3.5g충전했다. 이 양은 펠릿 약500개분에 상당한다.

카트리지(6)의 평미레면(10)은 내경20mm, 외경22mm의 원환형상으로 하고, 외측측면(11)과 프레스 다이 표면(9a)과의 접촉각(B)은 60°로 했다. 히터에 의해 원재료 분말(7)을 약80℃로 따뜻하게 하고, 2∼6회의 평미레칭량을 행하여, 프레스 다이의 관통공부(9)에 7mg의 원재료 분말(7)을 충전했다. 다음에, 통상의 펀치(8)에 의한 프레스 성형을 행했다. 펀치(8)의 강하속도는 1cm/s로 제어하고, 가압시간은 4초간으로 했다.

1850∼2000℃의 범위내의 온도에서의 소결후의 펠릿의 평균 공구멍율을 20%로 하기 위해, 프레스 성형후의 평균 공구멍율이 약35%가 되도록 프레스 하중을 2∼10×10⁸N/m²의 범위로 조정했다.

다음 소결공정에서는, 소결을 환원성 분위기안에서 약 2시간 행했다. 이상과 같은 공정을 거쳐 제조된 펠릿의 공구멍율은, 펀치가 접하는 전자방출면에서는 17체적%, 그 반대측면은 23체적%, 이들을 평균한 평균 공구멍율은 20체적%였다. 또한, 전자방출면(3)의 표면 거칠기는 최대 높이가 5∼10㎛의 범위내였다.

또한, 평균 공구멍율은 프레스 하중과 소결온도를 조절함으로써 제어할 수 있다. 공구멍율의 공간분포는 펀치의 강하속도와 가압시간을 조절함으로써 제어할 수 있다.

여기서, 공구멍율과 평가방법에 대해 설명한다. 공구멍율은 펠릿의 체적V(cm³)과 중량W(g)을 측정하고, 원재료 금속의 벌크 밀도ρ(g/cm³)를 이용하면, 이하의 계산식에 의해 구할 수 있다.

펠릿 공구멍율(체적%)=[(V-W/ρ)/V] ×100

또한, 공구멍율 분포는, 예를들면 펠릿을 전자방출면에 평행한 단면으로 전자방출면에 수직방향으로 3분할하고, 각각의 가로로 둥글게 자른 부분의 평균 공구멍율(d1, d2, d3)을 앞식에서 구함으로써, 공구멍율의 펠릿내 분포를 평가할 수 있다.

전자방출면 공구멍율= d1 - (d2 - d1)/2

반대측면 공구멍율 = d3 + (d3 - d2)/2

여기서, d1: 3분할한 전자방출면측의 가로로 둥글게 자른 부분의 평균 공구멍율

d2: 3분할한 중앙부분의 가로로 둥글게 자른 부분의 평균 공구멍율

d3: 3분할한 전자방출면의 반대측의 가로로 둥글게 자른 부분의 평균 공구멍율

또한, 분할수는 3에 한정되지 않고, 2여도 4이상이어도 상관없다. 상기와 같이 계산함으로써 수학적으로 공구멍율 분포를 평가할 수 있다.

다음에, 전자방사 물질의 함침을 행했다. 전자방사물질로써 몰비4:1:1의 BaCO₃, CaCO₃, Al₂O₃혼합물을 사용했다. 직경 약1.5cm, 깊이 약1cm의 원통형 함침용기에 전자방사물질을 다공질 기체에 함침되는 중량의 약30배의 중량만큼 충전하고, 그 위에 소결이 끝난 다공질 기체를 100개 설치했다.

그 함침용기를 환원성 분위기안에서 1500℃∼1800℃범위내의 온도의 로안에 통과시켜 용융 함침했다. 또한, BaCO₃, CaCO₃는 용융함침에 앞서 로내의 고온 분위기안에서 각각 BaO, CaO의 산화물로 분해되어 있으므로, 펠릿안에는 이들 산화물이 함침되게 된다.

다음에, 다공질 기체표면에 부착된 잉여전자 방사물질을 제거했다. 이 제거는 ψ5mm의 알루미나 볼 6개와 함께 함침이 끝난 펠릿을 소형용기에 혼합하고, 약5분간 쉐이킹에 의해 행했다. 그 후, 물안에서 약5분간 초음파 세정하고, 최후에 건조시켜 펠릿을 완성했다.

또한, 제작된 다공질 기체의 전자방출면 즉 프레스 펀치의 접촉면에 Os박막을 스패터링에 의해 형성했다. 이상과 같은 공정을 거쳐, 음극으로써 완성시켰다. 이 음극은 예를들면 17”브라운관 전자총에 조립되어, 1000℃의 통상동작 온도일 때 연속전자 방출능력으로써 2∼4A/cm²의 전류밀도를 가능하게 하고, 또한 수만시간의 에미션 수명을 가진다.

이상과 같은 본 발명에 관한 펠릿이면, 펠릿 내부에서의 공구멍율의 불연속면이 형성되지 않으므로, 자유Ba를 산출하는 화학반응이 펠릿 전체에서 연속적이고 원활하게 진행하게 된다. 또한, 다수종의 입자도 분포의 원재료 분말을 사용할 필요가 없으므로, 제조공정을 간소화할 수 있어, 양산에 적합한 제조공정으로 할 수 있다.

(실시형태2)

실시형태2는 실시형태1에서 설명한 제조공정에 의해 제조한 펠릿의 공구멍율 및 공구멍율 분포를 일정한 범위내로 한 것이다. 실시형태1에서 설명한 제조공정에 의해, 전자방출면 공구멍율 및 전자방출면과 그 반대측면과의 공구멍율차(이하 「공구멍율차」)를 변화시킨 각종 펠릿을 제조했다, 이들 펠릿을 캐소드로써 완성하고, 시판17”모니터용 브라운관에 조립, 1캐소드당 400μA의 직류전류를 에미션으로써 빼내면서 1250℃의 캐소드 동작온도로 강제가속 수명시험을 행했다.

상기 각종 펠릿의 초기 포화 에미션 전류(이하 「포화전류」), 초기 단위 시간당 전자방사 물질 증발량(이하 「증발량」) 및 에미션 수명(이하 「수명」)의 측정결과를 이하 표1에 도시한다. 표1에 있어서 포화전류, 증발량 및 수명치는 전자방출면 공구멍율이 20체적%이고 공구멍율차가 0일 때 측정치를 각각 1로 했을 때의 상대치를 표시하고 있다.

또한, 도4는 표1의 측정결과를 이용하여, 전자방출면 공구멍율과 포화전류 및 증발량과의 관계를 그래프로 표시한 것이다. 마찬가지로, 도5는 공구멍율차와 수명과의 관계를 표시하고 있다.

<표1>

표1, 도4 및 도5에 의하면, 이하의 것을 알 수 있다.

(가)전자방출면 공구멍율이 일정하면, 포화전류와 증발량은 평균 공구멍율에관계없이 일정하다.

(나)또한, 전자방출면 공구멍율을 변화시켰을 때는, 도4에 도시하는 바와같이 포화전류는 전자방출면 공구멍율이 증가함에 따라 천천히 증가하고, 전자방출면 공구멍율이 30체적%에서 포화한다.

(다)한편, 도4, 표1에서 증발량은 전자방출면 공구멍율에 대략 비례하여 증가하므로, 전자방출면 공구멍율을 일정치 이상으로 높히면 전자총 전극에서의 불필요 전자방사가 증대할 가능성이 있다. 이 때문에, 실용적으로는 포화전류와 증발량과의 절충이 필요해진다. 구체적으로는 전자방출면 공구멍율은 12.5∼25체적%의 범위내가 바람직하다.

(라)도5, 표1에서 5∼25체적%의 범위내의 공구멍율차를 형성하면, 공구멍율차가 없는것에 비해, 수명이 약10∼40%의 범위내로 연장된다.

또한, 표1에는 도시하지 않지만, 전자방출면의 반대측면의 공구멍율이 40체적%이상이 되면, 펠릿의 기계적 강도가 약해지므로, 실용적으로는 전자방출면의 반대측면의 공구멍율은 40체적%미만으로 하는 것이 바람직하다.

이상의 결과를 정리하면, 공구멍율 및 공구멍율 분포의 유효한 선택범위는 전자방출면의 공구멍율이 12.5∼25체적%의 범위내에서, 공구멍율차가 5∼25체적%의 범위내이고 또한 상기 전자방출면의 반대측면의 공구멍율이 40체적%미만을 만족하는 범위이다.

평균 공구멍율을 ρ체적%, 공구멍율차를 △ρ체적%로 하고, 상기 유효범위를 수식으로 표면하면, 이하와 같이 된다.

(식1) 15 ≤ ρ ≤ 30

(식2) 5 ≤ △ρ ≤ 25

(식3) △ρ ＜ 2×(40 - ρ)

(식4) △ρ ≤ 2×(ρ - 12.5)

식1의 하한치15체적%는 전자방출면 공구멍율의 바람직한 범위내의 하한치가 12.5체적%인 것과, 공구멍율차의 바람직한 범위내의 하한치가 5체적%인 것으로 부터 구했다. 식1의 상한치30체적%는 전자방출면 공구멍율의 바람직한 범위내의 상한치가 25체적%인 것과, 전자방출면의 반대측면의 공구멍율이 40체적%미만인 것의 양쪽의 조건을 만족하는 최대 값을 표1에서 구했다.

식3은 전자방출면의 반대측면의 공구멍율을 40체적%미만으로 하는 조건에서 구했다. 식4는 전자방출면 공구멍율을 12.5체적%이상으로 하는 조건에서 구했다.

도6은 식1∼4의 관계를 도시한 것이고, 사선부가 식1∼4를 만족하는 범위내이다. 즉, 펠릿의 평균 공구멍율ρ 및 공구멍율차△ρ를, 도6의 사선부의 범위내에서 선택하면, 양호한 수명특성을 얻을 수 있다. 또한 이 범위내에 있어서, 필요한 에미션과 증발량을 선택함으로써, 최량의 펠릿 설계가 가능해진다.

(실시형태3)

실시형태3은 펠릿의 전자방출면에 일정 범위내의 표면거칠기를 형성함으로써, 에미션 성능을 높힌 것이다. 도7은 전자방출면의 표면거칠기와 포화전류의 상대치와의 관계를 나타낸다. 포화전류는 시험제작한 펠릿을 통상의 음극에 조립하여 측정했다. 도7의 종축의 상대치는, 전자방출면의 표면거칠기가 0μm인 펠릿에의 측정치를 1로 한 것이다.

도7의 횡축은 펠릿의 전자방출면의 표면 거칠기를 도시하고, 표면거칠기의 범위에 따라 종류를 나눈 4종류의 펠릿에 대해, 측정을 했다. 구체적으로는 a∼d점에 있어서의 표면 거칠기 범위는 a점에서는 0∼5㎛, b점에서는 5∼10㎛, c점에서는 10∼20μm, d점에서는 20∼30μm으로 했다. 표면거칠기는 최대 높이를 나타내고 있다.

도7에서 표면거칠기가 클수록 포화전류의 상대치가 커져 양호한 것을 알 수 있다. b, c, d점에서는 어떠한 측정치도 포화전류의 상대치는 1이상이다. 다만, d점에서는 대항 아노드 전극간에서 스파크가 발생하는 것이(도면중 e) 있었다. 따라서, 스파크를 억제하고, 또한 에미션을 최대로 하기 위해서는, 도7의 b, c점 즉 표면거칠기가 5∼20μm의 범위내가 바람직하다.

또한, 상기 측정에는, 전자방출면의 공구멍율은 17체적%이고, 공구멍율차는 6체적%인 것을 이용했는데, 다른 수치의 것을 이용해도 상기 표면거칠기와 포화전류와의 관계는 같고, 표면거칠기는 5∼20μm범위내가 바람직하다.

또한, 실시형태1에서 설명한 기본공정에 의해 형성되는 펠릿의 표면거칠기는은 5∼10μm범위내이므로, 이들 표면을 기계적으로 연마함으로써, 0∼5μm범위내의 표면거칠기를 가지는 펠릿을 제작했다. 또한, 표면거칠기가 10∼30μm범위 내인 것에 대해서는 프레스 성형후의 기체 표면에 약 10∼20μm의 텅스텐 분말을 부착시켜 소결함으로써 제작했다.

(실시형태4)

음극 펠릿의 양산에 있어서 가장 중요한 것은 펠릿마다 공구멍율의 편차를 저감하고, 또한 전자 방사물질의 함침량을 안정시키는 것이다. 실시형태1에서 설명한 기본공정에 있어서, 제조편차를 저감시키기 위한 실시형태를 이하 실시형태4∼11로써 설명한다.

실시형태4는 프레스 성형공정에서 이용하는 카트리지 형상에 관한 것이다. 도3을 이용하여 실시형태4에 관한 카트리지의 최적형상에 대해 설명한다. 카트리지(6)는 평미레칭량의 정확함에 추가하여, 카트리지(6)내의 원재료 분말(7)의 입자도 분포를 프레스 다이 내부로 충전되는 원재료 분말의 입자도 분포에 정확하게 반영하는 것이 중요하다.

이를 위해서는, 카트리지(6)와 프레스 다이의 표면(9a)의 접촉면(10)의 형상과 크기가 중요해진다. 구체적으로는, 접촉면(10)의 형상은 원환형상이 바람직하다. 원환형상이면, 평미레의 왕복운동에 있어서 카트리지(6)내에서 원재료 분말의 교반을 행할 수 있다.

사각형등의 접촉면에서는, 왕복운동을 행해도 프레스 다이 평면방향의 2차원적 분말교반을 기대할 수 없다. 다만, 사각형등의 대각선이 프레스 다이의 관통공(9)을 통과하도록 카트리지(6)를 설정하면, 2차원적 교반은 기대할 수 있지만, 이 경우는 카트리지(6)의 각부가 프레스 다이의 관통공(9)의 단부에 접촉하므로, 카트리지(6) 및 프레스다이를 손상시켜 버린다.

접촉면(10)을 원환형상으로 한 경우는, 원환의 내직경은 프레스 다이의 관통공(9)의 내직경(펠릿 직경)의 10∼20배의 범위내가 바람직하다. 10배미만의 내직경이면 분말의 교반효과가 약해지고, 이 결과 프레스를 행함에 따라 입자도 분포가 거친 펠릿이 제조된다. 또한, 20배보다 큰 내직경이면 교반효과는 더욱 높아지지만, 평미레왕복운동의 스트로크가 길어지므로, 반대로 양산성은 저하된다.

원환의 외직경은 내직경의 1.05∼1.3배의 범위내가 바람직하다. 1.05배 미만의 외직경이면, 프레스 다이와의 접촉에 의한 한쪽 마멸이 심해져 장시간의 사용에 견딜 수 없다. 또한, 1.3배보다 큰 외직경이면, 원환부와 프레스 다이의 표면(9a)과의 밀착성이 나빠지고, 평미레칭량이 부정확하게 되거나, 접촉면(10)의 틈새에 미소분말이 들어가 평미레가 불가능하게 된다.

원환형상의 외직경과 접하는 카트리지의 외측측면(11)은 경사면이 바람직하고, 접촉면과 이루는 각도(B)는 40∼80°의 범위내가 바람직하다. 40°미만이면, 평미레동작시에 원재료 분말이 말려들어 칭량이 부정확하게 되는 일이 있다. 또한 80°보다 크면 프레스 다이의 관통공(9)의 단부와 카트리지(6)의 접촉시에 원재료분말이 끼어들어가 자연스러운 평미레동작을 할 수 없게 된다.

(실시형태5)

실시형태5는 카트리지에의 금속원료분말 충전량을 일정 범위량으로 한 제조방법이다. 도8에 금속원료 분말 충전량과 펠릿중량 편차와의 관계를 도시하고 있다. 도8의 측정결과를 얻기 위해, 텅스텐 분말의 충전량을 펠릿중량의 100개분(약0.7g)에서 2000개분(약14g)까지 변화시켜, 펠릿을 제조했다. 100개 제조할 때마다 감소분의 분말을 보충하고, 일정수준으로 각10000개의 펠릿을 제조했다.

도8의 횡축의 금속원료 분말 충전중량은 카트리지에의 금속원료 분말 충전량이 펠릿 중량의 몇 개분인가를 표시하고 있다. 제조한 펠릿에 대해서는 프레스 성형후의 중량의 편차를 측정했다.

도8에서 충전중량이 200개분에서 800개분까일 때는, 펠릿 중량은 안정되어 있는데, 이 범위를 넘으면 점점 편차가 커지는 것을 알 수 있다. 이것은 충전중량이 적당량이면, 평미레동작에 의해 카트리지 내부의 분말이 적당히 교반되어, 분말 본체의 입자도 분포를 유지한 채로 프레스 다이의 관통공으로 충전되기 때문이다.

(실시형태6)

실시형태6은 프레스 성형시의 원재료 분말의 가열온도를 일정범위 온도로 한 제조방법이다. 카트리지내의 원재료 분말의 교반효과를 높히고, 펠릿 공구멍율 및 중량의 편차를 저감하기 위해서는 양호한 입자 흐름성을 확보할 필요가 있다. 미분말은 대기중의 습기를 흡착하고, 입자 흐름이 나빠지므로, 프레스 다이에 충전하기 전에 50∼100℃의 범위내의 온도로 가열해 두는 것이 바람직하다.

가열온도가 100℃를 넘으면 텅스텐등의 백금족/귀금속은 대기에 의한 산화의 영향을 받게 되므로 펠릿제조에 있어서는 바람직하지 않다. 또한, 가열온도가 50℃미만이면 가열에 의한 제습효과가 낮다.

도9에 원재료 분말의 가열온도와 펠릿 중량 편차와의 관계를 도시하고 있다. 평미레 카트리지에의 원재료 분말의 충전량은 펠릿500개분으로 하고, 램프로 가열했다. 도9에서 가열온도가 50∼100℃범위내일 때는, 펠릿 중량은 안정되는 것을 알 수 있다.

(실시형태7)

실시형태7은 프레스 성형에 있어서의 펀치의 강하속도와 가압시간을 일정 범위내로 한 제조방법이다. 프레스 성형에 있어서는, 펀치의 강하속도와 가압시간이 공구멍율 분포의 제어에는 중요한 요소이다.

프레스 성형시의 프레스 다이 내부의 원재료 분말의 움직임을 보면, 펀치에 접촉하는 부분의 분말의 움직임이 가장 많고, 그 반대측면의 분말은 거의 움직이지 않는다. 이 결과, 펀치와의 접촉면에 가까운쪽의 부분의 분말에 대해서는, 그 부분의 분말과 프레스 다이 내측면의 마찰 또는 분말끼리의 마찰에 의해 펀치에 가해진 압력이 소비되며, 접촉면의 반대측면 근방까지 압력이 전해지기 힘들게 된다. 이 때문에, 펀치와 분말과의 접촉면 근방의 공구멍율은 낮아지고, 그 반대측면의 공구멍율은 높아진다.

이상에서, 펀치의 강하속도가 빨라질수록, 프레스 압력의 인가방향으로 펠릿 내부의 공구멍율 분포의 경사가 생긴다. 즉, 전자방출면과 그 반대측면과의 공구멍율차가 커진다. 반대로, 펀치의 강하속도를 낮게하면, 프레스 다이중에서 원재료분말의 마찰을 억제하면서 원활하게 프레스할 수 있으므로, 보다 균일한 공구멍율 분포가 된다.

또한, 가압시간을 길게할수록, 압력이 원재료분말 전체에 균등하게 가해지는 경향이 있고, 반대로 단시간에 프레스성형을 행하면 불균일하게 압력이 가해져, 전자방출면과 그 반대측면과의 공구멍율차가 커진다.

펀치의 강하속도와 가압시간을 각각 변화시킨 조합에 있어서의 공구멍율차(체적%)의 측정결과를 이하의 표2에 도시한다.

<표2>

표2에서 강하속도를 0.5∼5cm/s의 범위내에서, 가압시간을 1∼7초간 범위내에서 선택하면 공구멍율 분포를 자유롭게 제어할 수 있는 것을 알 수 있다. 가압시간은 7초간을 넘어도 양호하지만 양산에는 적합하지 않다.

이상과 같이, 펠릿 전체의 평균 공구멍율은 프레스압력을 조정함으로써, 독립으로 제어가능하다. 이 때문에, 입자도 분포가 다른 원재료분말을 이용하지 않고, 또한, 다층으로 성형할 필요도 없어, 통상의 공정으로 용이하게 본 발명의 펠릿을 제조할 수 있다.

(실시형태8)

실시형태8은 프레스 성형후의 다공질 기체의 평균 공구멍율과 소결후의 펠릿의 평균 공구멍율을 일정한 관계로 하는 제조방법이다.

펠릿내부로의 전자방사물질의 함침을 안정시키기 위해서는, 펠릿의 공구멍율 이외에, 공구멍의 연속성이 중요한 요소가 된다. 즉, 펠릿표면의 개구부에 연결되지 않는 공구멍으로써, 펠릿 외부로부터 전자방출물질이 함침되지 않는 폐쇄된 공구멍을 적게하는 것이 중요하다.

또한, 펠릿의 양산취급성을 확보하기 위해서는, 충분한 기계적 강도가 필요하다.

도10에 프레스 성형후의 다공질 기체의 평균 공구멍율과, 전자방사물질의 함침량 및 펠릿 파손율과의 관계를 도시하고 있다. 선12∼14는 소결후의 펠릿의 평균 공구멍율(d)(체적%)을 10∼30체적%로 변화시킨 경우의, 프레스 성형후의 다공질 기체의 평균 공구멍율(D)(체적%)과 전자방사물질의 함침량과의 관계를 도시하고 있다. 종축(좌측)에, 펠릿마다 함침량의 상대치를 나타내고 있다. 소결후의 평균 공구멍율(d)이 20체적%이고, 프레스 성형후의 평균 공구멍율(D)이 30체적% 일 때의 함침량의 값을 1로 했다.

선12∼14로 표시한 결과에서, 평균 공구멍율(D)이 일정치를 넘으면 함침량은 저하하기 시작하는 것을 알 수 있다. 예를들면 소결후의 펠릿의 평균 공구멍율(d)이 10체적%인 선12에서는, 평균 공구멍율(D)이 30체적%까지는 함침량은 안정되지만, 30체적%를 넘으면, 함침량은 저하하기 시작한다.

선15∼17은 소결후의 펠릿의 평균공구멍율(d)을 10∼30체적%로 변화시킨 경우의, 프레스 성형후의 다공질기체의 평균 공구멍율(D)과 펠릿 파손율의 상대치와의 관계를 나타내고 있다. 종축(우측)에, 펠릿 파손율을 도시하고 있다.

선15∼17에 도시한 결과에서, 평균 공구멍율(D)이 일정치를 넘으면, 파손율은 0이 되는 것을 알 수 있다. 예를들면, 소결후의 평균 공구멍율(d)이 10체적%인 선15에서는, 평균 공구멍율(D)이 20체적%이고 파손율은 0으로 되어 있다.

이상과 같은 측정결과에서, 기계적강도를 유지하면서 폐쇄공구멍의 발생을 억제하여 일정한 함침량을 확보한 펠릿을 제조하기 위해서는, 프레스 성형후의 평균 공구멍율(D)(체적%)과 소결후의 평균 공구멍율(d)(체적%)간에 이하의 관계가 필요하다고 할 수 있다.

d + 10 ≤ D ≤ d + 20

본 관계식을 도시한 것이 도11이다. 선18은 D = d + 10의 관계를 만족하는 선이다. 선19는 D = d + 20의 관계를 만족하는 선이다. 따라서, 사선으로 표시한 선(18)과 선(19)간의 영역이 상기 관계식을 만족하는 범위이다. 선18보다 상측의 영역에서는, 기계적 강도가 부족하고, 선19보다 하측의 영역에서는, 함침량이 매우 적다. 예를들면, 소결후의 평균 공구멍율(d)이 20체적%인 펠릿을 얻으려 하면, 프레스 성형후의 평균 공구멍율(D)은 30∼40체적%의 범위내로 하는 것이 바람직하다.

이 경우, 평균 공구멍율(D)이 30체적%보다 작으면, 거의 소결되지 않게 되므로, 기계적강도가 매우 낮아지고, 취급시에 파손될 염려가 있다. 반대로, 평균 공구멍율(D)이 40체적%보다 크면, 소결이 너무 많이 진행되므로, 폐쇄 공구멍이 다수 발생하고, 적당량의 전자 방사물질의 함침이 행해지지 않게 된다.

(실시형태9)

실시형태9는 함침용기에의 전자 방사물질 충전량을 일정 범위량으로 하는 제조방법이다. 본 실시형태에서는, 함침용기에는 상측이 개구된 예를들면 Mo, W제의 내열 금속용기를 이용하고, 칫수는 종1.5cm×횡1.5cm×깊이1cm으로 했다. 1펠릿당 최적 함침량의 200∼20000배의 범위내에서 변화시킨 중량의 전자방사물질을 함침용기에 충전하고, 그 위에, 평균 공구멍율이 20±1체적%, 직경1.2mm, 높이0.42mm이고 ±5μg의 정밀도로 중량 분급이 끝난 펠릿을 100개 설치하여 함침했다. 함침후, 잉여전자 방사물질을 제거하고, 중량을 측정함으로써 증가중량 즉 함침량을 펠릿1개마다 구했다.

도12에, 함침용기에의 전자방사 물질 충전량과 펠릿 함침량의 편차와의 관계를 도시하고 있다. 횡축은 충전량의 펠릿1개당 필요한 전자방사물질의 최적 함침량에 대한 배수(이하, 간단히 「충전량」 이라고 한다)를 도시하고 있다.

도12에서 충전량이 1000배 미만이 되면 충분히 함침되지 않는 펠릿이 발생하는 것을 알 수 있다. 이것은 전자방사물질이 용융했을 시에 다공질 기체표면의 전면이 젖지않는 기체가 있기 때문이다. 충전량이 1000배에서 10000배사이에서는 1펠릿당 함침량은 거의 포화하여, 최적 함침량을 나타낸다.

충전량이 10000배를 넘으면, 평균 함침량은 감소했다. 이것은 전자방사물질의 용융시에 다량의 가스가 발생하고, 전자방사물질이 기체 공구멍내에 침투하는 것을 방해하기 때문이다. 또한, 함침용기의 바닥면적을 넓게한 경우에는, 그 비율에 비례하여 펠릿을 증가시켜 설치하면 대략 같은 결과가 얻어진다. 이상과 같은 결과에 의해 충전량은 1000∼10000배의 범위내가 바람직하다.

또한, 상기와 같이 충전량은 펠릿1개당의 값이다, 본 실시형태에서는 함침용기에 펠릿을 100개 배치하고 있으므로, 상기 충전량을 함침용기에 배치된 전체 펠릿에 대한 값으로 환산하면, 전자방사물질의 중량의 바람직한 범위는 10∼100배가 된다.

(실시형태10)

실시형태10은 함침용기에의 펠릿 설치방법에 관한 것이고, 펠릿의 전 표면이 함침시에 전자방사물질에 접촉하도록 배치하는 제조방법이다. 본 실시형태를 끌어내기 위해 이하와 같은 실험을 행했다. 전자방사물질의 충전량은 상기 실시형태9의 바람직한 범위내인 3000배로 하고, 이하의 a∼d의 4종류의 펠릿 배치로 함침을 행했다. 도13(B)에 이하의 각 배치a∼d에 있어서의 함침용기(20), 펠렛(21) 및 전자방사물질(22)과의 위치관계를 도시하고 있다.

(a)함침용기 바닥면에 펠릿을 1단으로 평면상으로 100개 설치하고, 그 위로 부터 전자방사물질을 충전한 것. 본 배치에서는, 펠릿의 원주 바닥면이 함침용기에 접촉하고 있다.

(b)함침용기 바닥면에 펠릿을 1단당 50개로 하여 2단 중첩으로 설치하고, 그 위로 부터 전자방사물질을 충전한 것. 본 배치에서는, 1단째의 펠릿의 원주상면과 2단째의 펠릿의 원주 바닥면이 접촉하고, 1단째의 펠릿의 원주 바닥면이 용기에 접촉하고 있다.

(c)함침용기에 전자방사물질을 깊이를 균일하게 하여 반분량 설치하고, 그 위에 펠릿을 1단으로 평면상으로 100개 설치하고, 그 위에 나머지 전자방사물질을 깊이를 균일하게 하여 설치한 것. 본 배치에서는, 펠릿의 전면이 전자방사물질에 접촉하고 있다.

(d)함침용기에 전자방사물질을 깊이를 균일하게 하여 전량 설치하고, 그 위에 펠릿을 1단으로 평면상으로 100개 설치한 것. 본 배치에서는, 펠릿의 원주상면이 공간에 접촉하고 있다.

도13(A)에 상기 각 배치와 펠릿 함침량과의 관계를 도시하고 있다. 횡축의 a∼d는 상기 각 배치a∼d에 대응하고 있다.

a와 b와의 펠릿 배치에서는 약간의 함침량 부족이 발생했다. c와 d에서는 양호한 함침량을 나타냈다. 이것은 펠릿의 전 표면이 전자방사물질에 덮여있지 않으면 함침량이 부족한 것을 나타낸다. 또한, d는 도13(B)에 도시한 상태에서는, 펠릿의 전 표면이 전자방사물질에 덮여 있지 않지만, 전자방사물질이 용융하면, 펠릿은 자체 무게에 의해 가라앉고, 자연히 전면이 전자방사물질로 덮여지게 된다. 즉, 전자방사물질의 용융시에 펠릿 전면이 전자방사물질로 덮여지는 것이 안정된 함침을 행하기 위해서는 중요한 조건이 된다.

(실시형태11)

실시형태11은 함침시에 펠릿에 부착된 잉여전자 방사물질의 제거방법에 관한 것으로, 함침후의 펠릿에 부착된 잉여전자 방사물질을, 분쇄용 볼에 의해 물리적으로 제거하는 것이다.

본 실시형태에서는, 상기 실시형태10의 방법에 의해 최적 함침조건으로 함침시킨 펠릿을 이용했다. 이들 펠릿을, 예를들면 직경ψ=5mm의 알루미나 볼10개와 함께 내용곱100cm³의 유리용기에 넣고, 5분에서 1시간의 쉐이킹을 행한다. 그 후 이온 교환수안에서 5분간 초음파세정을 행하여, 진공 건조시킨다. 이 때의 쉐이킹 시간과 펠릿의 파손율과의 관계를, 이하의 표3에 표시한다.

<표3>

표3에서 60분 이상의 쉐이킹을 행한 것(비교예3, 4)에서는 펠릿 파손율이 급격하게 커지는 것을 알 수 있다.

또한, 도14에 표3의 비교예1∼4, 실시예1∼3에 있어서의 펠릿의 함침량을 나타내고 있다. 도14에서 실시예2(쉐이킹 시간15분)에 있어서 펠릿의 함침량의 편차가 최소인 것을 알 수 있다. 이 편차는 잉여전자 방사물질의 부착정도가 반영되는 것이므로, 편차가 작을수록 양호하다. 쉐이킹시간을 60분 이상으로 한것(비교예3, 4)에서는 편차는 작지만, 상기와 같이 파손율이 크다.

도14의 비교예1, 2(쉐이킹 무)의 결과에서, 초음파 세정만일 때는 세정시간을 길게 해도 펠릿마다 편차의 감소는 적다. 이것은 잉여분 이외의 공구멍중의 유효한 전자방사물질도 시간과 함께 제거되는 것을 나타낸다. 또한, 절대적으로 장시간의 처리가 필요한 것을 알 수 있어, 양산에는 적합하지 않다.

또한, 쉐이킹 또는 롤링등의 조건은 볼의 개수, 사이즈, 용기 내용곱, 펠릿 처리량, 시간, 쉐이킹 진동수 및 진폭, 롤링 회전속도를 선택함으로써 자유롭게 변화시킬 수 있다.

이상, 상기 각 실시형태에 있어서는, 펠릿의 구성재료를 텅스텐(W)을 일예로 하여 설명했는데, 이에 한정되지 않고, 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo)등의 고융점 금속, 이들을 포함하는 합금, 또는 이들을 베이스로 하여 소량의 첨가제를 포함한 것으로 해도 된다.

또한, 전자방사물질로써는 탄산 바륨(BaCO₃), 탄산 칼슘(CaCO₃), 산화 알루미늄(Al₂O₃)의 몰비를 4:1:1로 하여 혼합한 것을 예로 들어 설명했는데, 이에 한정되지 않고 몰비를 변경한 것이어도 되고, 이들 혼합물에 소량의 첨가제를 분산한 것을 이용해도 된다. 또한, 탄산 바배륨에 대신하여, 산화 배륨(BaO), 탄산 칼슘에 대신하여 산화 칼슘(CaO)를 이용해도 된다.

이상과 같이, 본 발명의 함침형 음극에 의하면, 기체의 공구멍율이 연속적으로 증대하므로, 펠릿내의 화학반응이 펠릿 전체에서 연속적이고 원활하게 진행한다.

또한, 다수종의 원재료 분말을 사용할 필요가 없으므로, 제조공정을 간소화할 수 있다. 또한, 음극 펠릿의 전자방출면의 표면 거칠기를 5∼20μm 범위내로 함으로써, 에미션 성능을 높힐 수 있다.

본 발명의 함침형 음극의 제조방법에 의하면, 카트리지를 일정형상으로 함으로써, 공구멍율이나 함침량의 제조 편차를 저감시킬 수 있다.

또한, 프레스 압력을 조절함으로써 프레스 성형후의 상기 다공질 기체의 평균 공구멍율을 제어하고, 소결온도를 조절함으로써 소결후의 상기 다공질 금속 소결체의 평균 공구멍율을 제어함으로써, 입자도 분포가 다른 원재료분말을 이용하지 않고, 또한 다층으로 성형할 필요가 없어, 통상의 공정으로 용이하게 펠릿 전체의 평균 공구멍율을 제어할 수 있다.

또한, 함침시에 펠릿 전 표면에 전자방사물질이 접촉하도록 펠릿을 배치함으로써, 함침량 부족을 방지할 수 있다.

또한, 함침용기에 충전하는 전자방사물질의 중량을 일정 범위량으로 함으로써 함침량의 편차를 저감시킬 수 있다.

또한, 함침 처리후의 음극 펠릿을 알루미나 볼과 함께 쉐이킹함으로써, 파손율을 억제하면서 잉여전자 방사물질을 제거할 수 있고, 함침량의 편차도 저감시킬 수 있다.

Claims

다공질 금속 소결체의 공구멍부에 전자방사물질을 함침시킨 음극 펠릿을 구비한 함침형 음극의 제조방법으로써, 금속원료분말을 프레스 성형하여 다공질 기체를 형성하는 프레스 성형공정을 포함하고, 상기 금속원료분말을 평미레용 카트리지에 충전한 후, 평미레칭량에 의해 다이로 충전하고, 펀치에 의한 프레스 성형을 하고, 상기 카트리지의 다이 표면에의 접촉면이 원환형상이고, 또한, 상기 카트리지의 외측측면은 선단부가 상기 다이표면과 접하는 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 원환형상의 내주의 직경이 펠릿 직경의 10∼20배의 범위내이고, 상기 원환형상의 외주의 직경이 상기 내주의 직경의 1.05∼1.3배의 범위내이며, 또한, 상기 경사면과 상기 다이 표면이 이루는 각이 40∼80도의 범위내인 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 카트리지에 충전하는 금속원료 분말의 양을 펠릿의 200∼800개분에 상당하는 양으로 하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.
제1항에 있어서, 평미레칭량시 및 프레스시의 상기 금속원재료 분말을 50∼100℃의 범위내의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.
제1항에 있어서, 펀치와 금속원료분말이 접하는 면을 음극 펠릿의 전자방출면으로 하고, 펀치와 금속원료분말이 접할 때의, 펀치의 다이에 대한 상대속도를 0.5∼5cm/s의 범위내로 하고, 또한 가압시간을 1∼7초의 범위내로 하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.
다공질 금속 소결체의 공구멍부에 전자방사물질을 함침시킨 음극 펠릿을 구비한 함침형 음극의 제조방법으로써, 금속원료분말을 프레스 성형하여 다공질 기체를 형성하는 프레스 성형공정과, 상기 다공질 기체를 소결하여 다공질 금속 소결체를 형성하는 소결공정을 포함하고, 프레스 압력을 조절함으로써 프레스 성형후의 상기 다공질 기체의 평균 공구멍율을 제어하고, 소결온도를 조절함으로써 소결후의 상기 다공질 소결체의 평균 공구멍율을 제어하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 프레스 성형공정에 있어서, 펀치의 강하속도와 가압시간을 조절함으로써 상기 다공질 금속 소결체의 공구멍율 분포를 제어하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.
제6항에 있어서, 프레스 성형후의 상기 다공질 기체의 평균 공구멍율(D체적%)과 소결후의 상기 다공질 금속 소결체의 평균 공구멍율(d체적%)간에 이하의 관계가 있는 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.

d + 10 ≤ D ≤ d + 20
다공질 금속 소결체의 공구멍부에 전자방사물질을 함침시킨 음극 펠릿을 구비한 함침형 음극의 제조방법으로써, 상기 전자방사물질의 용융시에 상기 다공질 금속 소결체의 전표면에 상기 전자방사물질이 접촉하도록, 상기 다공질 금속 소결체와 상기 전자방사물질을 함침 용기에 배치하고, 상기 전자방사물질을 상기 다공질 금속 소결체의 공구멍부에 함침시키는 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 함침용기에 깊이를 균일하게 하여 전자방사물질을 충전하고, 상기 전자방사물질의 깊이방향의 대략 중앙부 또는 상기 전자방사물질의 최상면상에 상기 다공질 금속 소결체를 배치하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 함침용기에 충전하는 상기 전자방사물질의 중량이 함침용기내에 배치된 다공질 금속 소결체에 함침될 수 있는 중량의 10∼100배의 범위내인 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.
제9항에 있어서, 함침 처리후의 음극 펠릿을 알루미나 볼과 함께 용기에 넣어 쉐이킹 한 후, 물안에서 초음파 세정을 행함으로써, 잉여전자 방사물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조방법.