KR100338035B1 - 직열형음극및그제조방법 - Google Patents

직열형음극및그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 컬러 수상관의 3전자총에 가장 적합하게 사용되는 직열형음극 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 제 1공정에서 혼합된 분말에 아트리터를 이용한 고에너지 볼 밀(Ball Mill)법으로 충격을 가하여 기계적으로 합금을 형성하는 제 2공정과, 상기 제 2공정에 의해 형성된 합금에 일정압력으로 팰릿(30)를 성형하는 제 3공정으로 이루어진 직열형음극의 제조방법과, 제 1항의 방법으로 제조된 팰릿을 사용하는 음극에 있어서, 상기 팰릿(30)의 내부를 관통하여 텅스텐와이어(32)가 설치되어 전류도통에 의하여 열을 발생시켜 상기 팰릿(30)으로 부터 전자가 방출되도록 구성된 전자관용 직열형음극으로서, 고전류밀도, 사용시간연장 및 제조공정단축을 가져오기 위한 직열형음극 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

직열형음극 및 그 제조방법{DIRECT HEATING TYPE CATHODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 컬러 수상관의 3전자총에 가장 적합하게 사용되는 직열형음극 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 금속합금으로 형성된 직열형음극을 사용하므로서 고전류밀도, 수명시간의 연장 및 제조공정의 단축을 가져오기 위한 직열형음극 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
일반적으로 브라운관에 사용되고 있는 열전자방출음극은 산화물음극 또는 함침형음극이 널리 사용되어 왔으나, 순간동작의 지연 및 수명단축등의 문제점으로 인하여 금속계합금음극으로의 연구가 진행되어 왔다. 그러나 상기 금속계합금음극은 여러 종류의 합금이나 단금속의 재료들이 사용되며, 특히 Ir-Ce합금 또는 Ir-La합금에서 제조된 것은 상기 산화물 또는 함침형음극 보다 여러면에서 우수한 특성을 가지고 있다. 그러나 아크멜팅(arc melting)방법으로 제조하기 때문에 상대적으로 융점이 낮은 저융점금속이 합금하는 과정에서 고융점금속보다 먼저 용융되므로서 증발을 초래하는 문제점이 발생하여 실용화 단계에는 이르지 못하고 있다.
일반적으로 컬러 수상관에는 3전자총이 내부에 설치되어 있고, 상기 3전자총은 산화물음극(1), 기준금속(2) 및 히터(3)로 구성된다.
제 1도에 도시한 바와같이, 상기 산화물음극(1)은 통전되는 전류에 의해 발열되는 기준금속(2)의 상측에 접합되어 있고, 상기 기준금속(2)의 내측에 설치되어 전류를 통전하기 위한 히터(3)로 되어 있다.
상기 기준금속(2)은 속동성을 좋게하기 위하여 길이가 될수록 짧게 형성하여 전기저항율을 높아야 하고, 열방사를 증가시키기 위하여 단면적에 비하여 길이가 길어야 하며, 음극이 동작되는 온도의 범위내에서 고유의 형상을 유지하기 위하여 충분한 고온강도가 필요하며, 알카리 토류산화물이 상기 기준금속을 도포하고 있는 중에서도 장기간에 걸쳐서 충분한 전자방출을 하기 위한 구조로되어 있어야 한다.
즉, 상기와 같은 조건을 만족하기 위해서 주성분인 Ni에 내열성이 뛰어난 W, Mo 등의 고융점금속과, 전자방출용 산화물에 활성제로서 작용하는 Zr을 미량첨가할경우로 제안되고 있다. 그러나, 이와같은 조성의 금속을 기준금속으로 사용하게 되면 수상관의 제조공정상 또는 그 후의 사용중에 상기 기준금속과 상기 산화물층사이에 새로운 중간층이 다량으로 발생되므로 인하여 산화물층의 박리가 발생하게 된다.
따라서, 이와같은 문제점을 해결하기 위하여 기준금속과 산화물층사이에 Ni의 입자로 형성된 산화물층을 기계적으로 고착시키는 방법이 사용되고 있으나, 상기 Ni의 입자가 동작중에 형상변경을 일으켜서 산화물층의 고착을 불완전하게 하므로서 박리가 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 고전류밀도, 사용시간연장 및 제조공정단축을 가져오기 위한 직열형음극 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전자관용의 전자방출선인 직열형음극을 제조하는 방법에 있어서, 주성분인 Ir와 합금성분인 Ce을 일정비율로 혼합하는 제 1공정과, 상기 제 1공정에서 혼합된 분말에아트리터를 이용한 고에너지 볼 밀(Ball Mill)법으로 충격을 가하여 기계적으로 합금을 형성하는 제 2공정과, 상기 제 2공정에 의해 형성된 합금에 일정압력으로 팰릿(30)를 성형하는 제 3공정과, 상기 제 3공정에 의해 성형된 팰릿(pellet)(30)내에 포함된 잔류가스를 제거하기 위한 제 4공정과, 상기 제 4공정의 가스제거를 한 후 팰릿(30)의 전자방출특성을 평가하는 제 5공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
상기 제 1공정은 85wt%~ 95wt% Ir분말을 주성분으로 하고, Ce분말을 5wt%~ 15wt%로 하여 양 금속분말을 혼합한다.
상기 제 2공정은 상기의 Ir분말과 Ce분말을 기계적인 방법으로 합금하는 공정으로서, 고에너지 볼 밀법과 저에너지 볼 밀법이 있다.
상기 저에너지 볼 밀법은 회전속도가 90~ 120rpm이고, 공정시간이 100~1000시간 이고, 공정제어제가 스테아린산(stearic acid)이고, 분말과 볼의 비가 50:1~ 150:1로서 회전속도가 느린공정이다.
제 2도에 도시한 바와같은 고에너지 볼 밀법은 상기 분쇄탱크(20)내에 상기 제 1공정에서 혼합한 분말을 넣은 후 상기 분쇄탱크(20)내에 배설된 회전봉(22)을 회전시키면, 상기 회전봉(22)의 회전으로 상기 분쇄탱크(20)내에 있던 볼(24)이 서로 충돌하면서 회전을 하게 되며, 상기 회전봉(22)의 회전으로 회전 및 충돌을 일으키는 볼(24)에 의해서 상기 분쇄탱크(20)내에 있는 Ir, Ce혼합분말이 볼(24)의 충돌에 인하여 큰 충격량을 받게되어 상기 혼합분말은 합금분말이 되고, 볼의 충격에 의한 분쇄탱크(20)내에서의 온도는 상승하게 된다.
상기와 같이 상승한 분쇄탱크(20)의 온도는 상기 분쇄탱크(20)의 외측에 배설된 냉각케이스(18)의 하측으로부터 유입되어, 상측으로 유출되는 냉각수에 의해서 상기 분쇄탱크(20)의 온도는 감소된다.
한편, 상기에서 설명한 고에너지 볼 밀법은 회전속도가 300~ 700rpm이고, 공정시간이 10~ 50시간이고, 공정제어제가 스테아린산이며, 분말과 볼의 비가 50:1~ 150:1을 사용하는 경우와 같이 회전속도가 빠른 공정이며, 아트리터를 사용하는 상기 공정 이외에 바이브레이션 밀(vibration mill) 또는 쉐이커 밀(shaker mill)의 방법으로 기계적합금화공정을 이룰 수도 있다.
제 3공정은 단위면적당 3 ~ 8톤의 압력을 가하여 프레스로 합금분말을 팰릿(30)으로 성형하는 공정으로 되어 있다.
제 4공정은 진공분위기에서 400~ 700℃범위에서 상기 팰릿(30)에 포함되어 있는 잔류가스(H2O, O2, (OH)2)를 제거한다.
제 5공정은 진공분위기에서 1000~ 1500℃에서 전자방출특성을 평가한다.
상기 제 4공정 이후에 선택적인 공정인 열처리공정은 성형된 펠렛의 합금균질화를 위하여 1300~ 1800℃범위내에서 1~ 500시간 열처리를 하는 공정으로서, 상기 공정은 진공중에서도 할 수 있다.
본 발명에 의한 합금을 채용한 전자관용 직열형음극은 제 3도에 도시한 바와같이 전류의 도통으로 인하여 열을 발생시키는 텅스텐와이어(32)와, 상기 텅스텐와이어(32)가 내부를 관통하면서 전자가 방출되는 팰릿(30)로 이루어져 있다. 따라서 외부로부터 전류를 인가받은 상기 텅스텐와이어(32)는 열을 방출하게 되며, 이로 인해서 상기 텅스텐와이어(32)가 통과되는 팰릿(30)는 상기 텅스텐와이어로(32)부터 방출되는 열을 받아 전자를 방출하게 된다.
또한, 전자관용 직열형음극은 주성분인 Ir, Pt 또는 Au성분이 85wt%~95wt%이고, 보조성분인 Ce, La 또는 Pr성분이 5wt%~ 15wt%인 성분으로 이루어져 있다.
상기 공정으로 제조된 금속합금 직열형음극의 합금을 이루는 Ir5Ce화합물(융점 1900˚C)의 특성은 고온상태에서의 우수한 동작특성과 낮은 일함수(약 2.5eV)의 영향으로 기존의 다른 전자방출재료 보다 우수한 전자방출의 특성을 가질 뿐 만 아니라 특히 고온에서 우수한 동작특성으로 인하여 직열형음극의 사용기간을 연장할 수 있다.
또한, 상기 제 2공정에 의한 기계적합금화과정은 고상반응만으로 이루어진 제조공정으로 이 공정으로 제조된 직열형음극의 동작범위는 1400℃에서 전류밀도가 약 7~ 10A/㎠의 값을 나타내었는데, 이는 종래의 아크 멜팅법에 의해서 제조된 직열형음극의 합금보다 2~ 5A/㎠ 정도 큰 값을 나타내므로서 전자방출 특성이 우수하였다.
또한, 종래의 공정에서는 직열형음극을 제조하기 위해서 필수적인공정인 K-분해(진공속에서 가열하여 산화물음극으로부터 탄산염의 산화물로의 분해) 및 에이징처리(K-분해후에 전자방출을 양호하게 하기 위하여 초기에 일정온도로 일정시간 유지하는 공정)를 생략하므로서 제조공정이 단순화될 뿐 만 아니라 분말금속을 사용하므로서 용이하게 대량생산이 가능해진다.
제 1도는 일반적인 전자관용 산화물음극의 개략적인 단면도,
제 2도는 본 발명의 기계적인 합금화장치의 단면도,
제 3도는 본 발명의 직열형음극의 개략적인 단면도,
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 가스입구 12 : 가스출구
18 : 냉각케이스 20 : 분쇄탱크
22 : 회전봉 24 : 볼
30 : 팰릿 32 : 텅스텐와이어

Claims (6)

  1. 전자관용의 전자방출선인 직열형음극을 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 주성분인 Ir, Pt 또는 Au 성분 85~95 중량% 및 보조성분인 Ce, La 또는 Pr성분 5~15 중량%의 비율로 주성분과 보조성분을 혼합하는 제 1공정;
    (b) 상기 제 1공정에서 혼합된 분말을 아트리터를 이용하여 회전속도가 300 ~ 700rpm이고, 공정시간이 10 ~ 50 시간이며, 공정제어제가 스테아린산이며, 분말과 볼의 비가 50 : 1 ~ 150 : 1인 볼 밀법으로 합금을 형성하는 제 2 공정;
    (c) 상기 제 2공정에 의해 형성된 합금에 3 ~ 8톤의 압력을 가하여 프레스로 합금분말을 펠릿(30)으로 성형하는 제 3 공정;
    (d) 진공 분위기에서 400 ~ 700℃에서 상기 제 3공정에 의해 성형된 펠릿(30) 내에 포함된 잔류가스를 제거하는 제 4공정; 및
    (e) 상기 잔류가스가 제거된 펠릿(30)을 진공분위기에서 1000 ~ 1500℃에서 전자방출특성을 평가하는 제 5공정
    으로 이루어진 것을 특징으로 하는 직열형음극의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 아트리터(attritor)를 이용한 볼 밀법 이외에 바이브레이션 밀(vibration mill), 쉐이커 밀(shaker mill)의 방법으로 기계적합금화공정을 이루는 것을 특징으로 하는 직열형음극의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 고에너지 볼 밀법 이외에 저에너지 볼 밀법은 통상적인 볼밀공정으로서 회전속도가 90 ~ 120rpm이고, 공정시간이 100 ~ 1000 시간이며, 공정제어계가 스테아린산이며, 분말과 볼의 비가 50:1 ~ 150:1의 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 직열형음극의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 4공정 이후에 선택적인 공정인 열처리공정은 1300 ~ 1800℃ 범위내에서 1 ~ 500 시간동안 불활성가스 또는 진공상태에서 합금의 균질화를 위한 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 직열형음극의 제조방법.
  5. 제 1항의 방법으로 제조된 직열형음극에 있어서, 주성분인 Ir, Pt, Au 성분이 85 ~ 95 중량%이고, 보조성분인 Ce, La, Pr성분이 5 ~ 15 중량%인 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자관용 직열형음극.
  6. 제 1항의 방법으로 제조된 팰릿을 사용하는 음극에 있어서, 상기 팰릿(30)의 내부를 관통하여 텅스텐와이어(32)가 설치되어 전류도통에 의하여 1000 ~ 1500℃의 열을 발생시켜 상기 팰릿(30)으로부터 전자가 방출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자관용 직열형음극.
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