KR100368564B1 - 음극선관용 함침형 음극의 구조 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 텔레비젼 수상기 등과 같은 영상 표시장치의 음극선관에 있어서 음극선관용 함침형 음극의 특성을 개선하여 고전류 밀도의 안정적인 전자방출특성을 갖도록 하는 음극선관용 함침형 음극의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 슬리브 내면에 흑화 피막을 부착하는 방법은 슬리브 전면에 고루 피막을 형성하는 방법이 있으나 슬리브 내면에 걸쳐 흑화 피막의 두께를 균일하게 하기가 어렵고, 흑화 피막이 불필요한 영역에 형성되는 결과를 초래할 수 있다.

본 발명은 음극선관용 함침형 음극을 이루는 금속 슬리브(20)의 내면에 두께가 균일한 열 흡수성 흑화 피막(21)을 형성하되 슬리브 내면에 흑화 피막을 히터의 발열부(31)로부터의 복사 열 전달이 집중되는 부분에만 흑화 피막(21)을 형성하여 음극 슬리브의 열효율성을 높이면서 음극온도의 장시간 동안의 경시 변화를 억제하고, 고전류 밀도의 안정적인 전자 방출 특성을 얻도록 한 것으로 하부가 막힌 지그에 원통형 음극 슬리브(20)를 거꾸로 세운 상태에서 흑화 피막용 재료를 포함한 현탁액을 슬리브(20) 내에 일정량 주입하는 공정과; 상기 현탁액이 주입된 상기 슬리브(20)내에 원기둥형 펀치를 삽입하여 현탁액에 압력을 가해 현탁액의 액면을 소정의 높이로 상승시키도록 하는 공정과; 상기 현탁액의 액면이 소정높이로 상승됨과 동시에 슬리브(20) 내에서 현탁액이 흘러내리도록 하여 흑화 피막(21)을 형성하도록 하는 공정과; 상기 흑화 피막(21)이 형성된 슬리브(20)를 건조 및 가열 처리하는 공정으로 이루어진다.

Description

음극선관용 함침형 음극의 구조 및 제조 방법{Structure and Manufacturing Method of the Cathode with Impregnated type for Cathode Ray tube}

본 발명은 텔레비젼 수상기 등과 같은 영상 표시장치의 음극선관에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 음극선관용 함침형 음극의 특성을 개선하여 고전류 밀도의 안정적인 전자 방출특성을 갖도록 하는 음극선관용 함침형 음극의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

음극선관은 텔레비전 수상기를 비롯하여 오실로스코프나 레이다의 관측용으로 가장 널리 사용되는 영상 표시장치이다.

이러한 음극선관은 전자총으로부터 방사된 전자빔을 스크린의 형광면에 접속시켜 화상을 구현하는 방식을 채택하고 있어 전자빔의 최초 발원지인 음극의 역할이 매우 중요하다.

음극은 그 전자방사의 재료에 따라 산화물 음극과 함침형 음극으로 나뉘어지는데, 산화물 음극은 제조 방법이 용이하며 저가의 재질로 구성되므로 가장 널리 사용되는 음극이나, 고전류 밀도하에서 동작시키기에는 미흡하여 고전류 밀도하에서의 구동에는 함침형 음극을 적용하는 추세이다.

종래의 음극선관용 함침형 음극은 도 5 과 같은 구조를 갖는다.

상기 함침형 음극은 고융점 미분말(예; 텅스텐)을 이용해 다공질 소결체를 형성한 후, 이에 전자 방사 물질(예; BaO, CaO, Al₂O₃)을 용융 함침시켜 음극 펠렛(6)을 완성한 후, 이를 컵(1) 및 슬리브(2), 리본(3), 홀더(4) 및 히터(5) 등의 부재와 조립하여 완성한다.

음극 슬리브(2)의 재질은 고융점 금속인 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 니오븀(Nb)등을 주성분으로 하거나 이들의 합금으로 구성된다.

음극선관용 음극은 금속 슬리브(2) 내에 가열용 히터(5)를 내장하고 있으며, 금속 슬리브(2)의 내면에 열 흡수성 흑화 피막(7)을 형성하여 히터(5)로부터 복사열을 금속 슬리브(2)에 효율적으로 전달한다.

특히, 함침형 음극과 같이 동작 온도가 약 1000℃이상인 음극에서는 히터로부터 금속 슬리브 내면에 전달된 복사열을 금속 슬리브의 외면을 통한 복사열 손실을 최소화 시켜 열효율을 향상시키는 것이 중요하다.

따라서, 금속 슬리브(2)의 외면에는 흑화 파막(7)을 형성시키지 않고 금속 광택을 그대로 유지하는 것이 바람직하다.

위에서 언급한 가열형 히터는 레늄 및 텅스텐의 합금으로 구성되고 그 표면에 절연체인 알루미나가 피복 되며, 또 이 알루미나의 표면에 열방사 특성을 좋게 하기 위해 텅스텐과 알루미나의 혼합물로 된 흑화층이 피복 되어 있다.

상기 함침형 음극은 동작 온도가 높아 슬리브(2)를 통한 열 흡수성을 높이는 것이 특히 중요하다. 도 5의 슬리브(2)의 구조를 보면 슬리브(2)의 내면은 히터(5)로부터 열 흡수성을 향상시키기 위해 내면의 전역에 걸쳐 흑화 피막(7)을 형성시켰으며, 슬리브(2) 외면에는 금속 광택을 그대로 유지시킨 것을 알 수 있다. 이러한 슬리브의 구조는 함침형 음극뿐만 아니라 산화물 음극에도 적용된다.

음극선관용 방열형 음극의 슬리브(2)의 내면의 전역에 부착된 열 흡수성 흑화 피막(7)은 금속 원래의 광택에 비해 열 복사율이 커서 히터(5)로부터 열 흡수율이 높다. 특히 히터(5) 및 슬리브(2)의 온도가 높을수록 슬리브(2)가 받는 복사열은 커지기 때문에 슬리브(2) 내면의 복사율을 크게 가져갈수록 열 흡수율을 향상시킬 수 있다.

이러한 사실은 복사열전달에 대한 Stefan-Boltzmann 법칙으로 설명할 수 있다.

Q=Aεσ(T_H ⁴-T_S ⁴) (식 1)

위 식에서 A는 복사면적, ε는 복사율, σ는 Stefan-Boltzmann 상수(=5.6697×10^-8m^-2K^-4)를 나타내며 T_H는 방사체의 절대온도, T_S는 흡수체의 절대온도를 나타낸다. 위의 식은 히터로부터 슬리브로의 열 복사 뿐만 아니라, 슬리브로부터 히터로의 열 복사에 모두 적용된다. 이것은 복사 열 전달이 열전도와는 달리 열 전달 매체간의 상호작용을 통해서 복사가 이루어지기 때문이다.

그래서 히터의 복사율이 높아 방사열이 클지라도 그 열을 받는 슬리브의 복사율이 낮으면 실제 슬리브가 받는 복사열은 작아지게 된다. 이런 경우, 열 복사효율이 떨어진다고 말할 수 있다.

따라서, 히터의 복사율을 크게 하여 히터의 방사열을 크게 하면서 이 복사열을 받는 슬리브의 복사율도 높여 히터로부터 복사되는 열을 최대한 받을 수 있어야 한다. 가장 이상적인 열복사를 흑체 복사라 하는데 이는 방사체로 부터 나오는 복사열을 흡수체가 전부 받는 것을 말한다.

음극 슬리브의 내면을 흑체 복사와 최대한 가깝게 하고자 슬리브의 내면에열 복사율이 높은 흑화 피막을 부착하는 것이다.

이러한 흑화 피막을 슬리브 내면에 형성하기 위한 방법이 많이 알려져 있다.

먼저, 일본 특허 특공소52-28631 에는 텅스텐 분말과 산화알루미늄 혼합물의 현탁액에 슬리브를 침지하고, 그것을 건조한 후에 소결시켜 흑색 피막을 형성한 방법이 개시되었다.

그리고, 일본 공개 특허 특개평 7-65714에는 텅스턴과 산화알루미늄 혼합분말의 현탁액을 빨아들이게 하여 슬리브 내면 전면에 흑화 파막을 부착 후, 이를 소결하여 흑화 피막을 형성하는 방법이 알려져 있다.

또, 일본 공개 특허 특개평 2-72533 에는 텅스텐과 산화 알루미늄의 혼합분말의 현탁액을 슬리브에 주입하고, 소정 시간 후에 여분의 현탁액을 진공 흡인하여 제거하고 건조, 소결하여 흑색 피막을 형성하는 방법이 알려져 있다.

종래의 슬리브 내면에 흑화 피막을 부착하는 방법은 슬리브 전면에 고루 피막을 형성하는 방법을 채택했다. 하지만 이런 방법은 슬리브 내면에 걸쳐 흑화 피막의 두께를 균일하게 하기가 어렵다.

종래의 진공 흡인 방법은 슬리브 안의 공기 난류에 의해 피막이 떠오르거나 두께가 불균일한 결과를 얻었으며, 다공질 흡수체를 이용하여 흑화 피막을 부착시키는 방법은 다공질 흡수체의 접촉부 근처에서는 균일한 피막 두께 분포를 얻을 수 있으나 그 위로 올라 갈수록 피막의 두께가 두꺼워지는 결과를 얻었다.

그리고 종래의 방법은 슬리브 내면의 전면에 걸쳐 흑화 피막을 형성하는데, 이는 흑화 피막이 불필요한 영역에 형성되는 결과를 초래할 수 있다. 즉, 종래와같이 슬리브 내면 전면에 흑화 피막을 형성할 경우, 흑화 피막과 금속 슬리브 사이의 열팽창량 차이에 의한 흑화 피막의 탈락이나 동작 중 휘점 소거 전압(Ekco)의 변화 등을 야기한다.

즉, 슬리브 내면 전면에 흑화 피막이 형성될 경우 흑화 피막이 히터로부터 복사열을 받아 온도가 높은 부분과 그렇지 않은 부분이 형성되어 흑화 피막 안에서 열적 구배가 생기므로 이로 인해 흑화 피막의 불안정성을 유발하며 더 나아가 슬리브의 수축을 야기하게 되어 장시간 동안의 동작 중 휘점 소거 전압이 변한다

따라서, 흑화 피막의 목적이 히터로부터 슬리브로의 복사 열전달의 효율성을 높이기 위한 것이므로 슬리브 내면에 흑화 피막을 형성하는데 있어서, 히터의 발열부로부터의 복사 열 전달이 집중되는 부분에만 흑화 피막을 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 음극선관용 함침형 음극에 있어서 음극 슬리브의 열효율성을 높이면서 장시간 동안 안정적인 전자방출 특성을 갖는 음극 슬리브의 구조를 갖는 음극선관용 함침형 음극의 구조 및 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 함침형 음극용 슬리브의 구조를 보인 단면도 및 요부 확대단면도.

도 2는 본 발명에서 함침형 음극용 슬리브의 흑화 피막 형성 제조 공정도.

도 3은 흑화 피막의 영역의 변화에 따른 히터 전류의 변화도.

도 4는 본 발명과 종래의 제품과의 비교표.

도 5는 종래의 함침형 음극의 구조의 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 컵 20: 슬리브

21: 흑화 피막 30: 히터

31: 발열부 40: 음극 펠렛

50,51,52: 지그 60: 노즐

70: 펀치 80: 현탁액

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 음극선관용 함침형 음극을 이루는 금속 슬리브의 내면에 두께가 균일한 열 흡수성 흑화 피막을 형성하되 슬리브내면에 흑화 피막을 히터의 발열부로부터의 복사 열 전달이 집중되는 부분에만 흑화 피막을 형성하여 음극 슬리브의 열효율성을 높이면서 음극온도의 장시간 동안의 경시 변화를 억제하고, 고전류 밀도의 안정적인 전자 방출 특성을 얻도록 한 것을 특징으로 한다.

즉, 음극 슬리브의 내면에 흑화 피막을 형성하는데 있어서, 히터의 발열이 집중되는 부분에만 흑화 피막을 형성함으로써 이를 통해 히터로부터의 복사열을 흡수함과 동시에 불필요한 흑화 피막을 형성시키지 않음으로 흑화 피막을 통한 열전도 손실을 막을 수 있도록 하며, 슬리브 내면 전면에 흑화 피막이 형성한 경우에 비해 두께가 균일한 흑화 피막을 형성할 수 있어 흑화 피막 두께의 불 균일성에 의한 흑화 피막의 탈락을 줄일 수 있도록 함을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 금속 슬리브(20)의 내면에 흑화 피막(21)을 형성하는데 있어서, 상기 흑화 피막이 부착 형성된 영역 및 이의 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하고자 한다.

도 1은 고온 동작 음극인 함침형 음극 및 이에 히터(30)가 조립된 상태의 음극 구조와 주요부분을 확대한 단면도를 도시한 것이다.

저전력(Low Power) 함침형 음극에 있어서, 히터(30)의 발열부(31)가 히터의 머리부에 집중되어 음극 슬리브(20)의 상단으로부터 일정 위치까지가 히터로부터의 복사열의 대부분을 받는다.

따라서 본 발명에서는 히터(30)의 머리부를 충분히 감싸도록 음극슬리브(20) 일정 영역에만 흑화 피막(21)을 형성하는 것이다.

즉, 음극선관용 음극을 구성하는 금속 슬리브(20)의 내면에 히터(30)로부터의 복사 열전달 효율성을 높이기 위해 흑화 피막(21)을 형성함에 있어서, 상기 흑화 피막(21)은 히터의 발열부(31)와 대응하는 슬리브(20)의 영역에만 피막을 형성하며, 상기 흑화 피막용 재료로서는 텅스텐과 알루미나 분말을 포함한다.

본 발명의 실시 예는 다음과 같다. 음극 슬리브(20)는 두께가 15㎛, 직경이 1.23㎜, 길이가 4.3㎜인 원통인 탄탈륨(Ta)재이다. 함침형 음극용 펠렛(40)의 두께는 0.4㎜이고 이를 담는 컵(10)의 두께는 0.1㎜이다. 그리고 히터의 발열부(31)인 머리부의 길이는 1.8㎜이다. 한편, 흑화 피막용 재료의 현탁액은 텅스텐 분말과 산화 알루미늄 분말을 혼합하고 분산용 액체로서 니트로셀룰로오스를 사용하였다.

이와 같은 음극 슬리브의 내면에 흑화 피막을 형성하는 공정을 도 2를 이용해 설명하고자 한다.

본 발명에 의한 상기 슬리브의 내면에 흑화 피막을 형성하는 방법은 하부가 막힌 지그(50,51)에 원통형 음극 슬리브(20)를 거꾸로 세운 상태에서 흑화 피막용 재료를 포함한 현탁액(80)을 슬리브(20) 내에 주입하는 공정과; 상기 현탁액이 주입된 상기 슬리브(20)내에 원기둥형 펀치(70)를 삽입하여 현탁액(80)에 압력을 가해 현탁액(80)의 액면을 소정의 높이로 상승시키도록 하는 공정과; 상기 현탁액 (80)의 액면이 히터의 발열부 주위의 높이로 상승됨과 동시에 슬리브(20) 내에서 현탁액이 흘러내리도록 하여 흑화 피막(21)을 형성하도록 하는 공정과; 상기 흑화 피막(21)이 형성된 슬리브를 건조 및 가열 처리하는 공정으로 이루어진다.

즉, 도 2의 (a)는 상기의 원통형 음극 슬리브(20)를 거꾸로 세워서 상기의 흑화 픽막용 재료의 현탁액(80)을 주입하는 것을 나타낸다. 상기의 음극 슬리브(20)를 바닥이 막힌 지그(Jig)(50,51,52)에 거꾸로 수직으로 세우고, 개구부를 통해 직경이 음극 슬리브(20) 보다 작은 노즐(60)을 슬리브의 하단부로부터 약 1.5㎜높이에 노즐의 구멍이 위치하도록 삽입한 후, 일정량의 피막재료의 현탁액(80)을 주입한 후 노즐(60)을 빼낸다.

그리고, 도 2의 (b)처럼 직경이 0.8㎜인 원기둥형 펀치(70)로 주입된 소량의 현탁액(80)에 압력을 가하면 주입된 현탁액(80)의 액면이 일정 높이 까지 상승한다.

그 후, 도 2의 (c)처럼 슬리브(20) 밑에 있는 지그(Jig)(51)를 제거함으로써 현탁액(80)을 밑으로 흘려 보내 제거한다. 이때, 원통형 펀치(70)와 슬리브(20)의 간격이 좁아서 환형 공간을 흐르는 유체의 흐름은 상당한 저항을 받아 유체의 높이 변화에 따른 중력의 영향을 적게 받아 균일한 유속을 갖는다.

뿐만 아니라, 도 2의 (d)처럼 거꾸로 세운 슬리브(20)가 고정된 지그(52)를 통해 현탁액이 더 흘러내릴 수 있는 여유를 주어 현탁액(80)이 흐름의 끝단, 즉 슬리브(20)의 상단에서 흑화 피막용 재료의 현탁액(80)의 액적이 맺히는 것을 막을 수 있다.

이와 같이 현탁액의 유속을 균일하게 하면서 현탁액(80)의 액적이 맺히는 것을 방지함으로써 부착되는 흑화 피막(21)의 두께를 균일하게 할 수 있다.

이렇게 형성된 흑화 피막(21)을 상온에서 건조 후에 이를 진공 분위기에서1200℃의 온도로 약1시간동안 소결하여 약 3㎛ 두께의 흑화 피막 형성 과정을 마친후, 이 음극 슬리브(20)에 음극 펠렛(40)과 컵(10)을 조립하면 도 1과 같이 구성을 이룰 수 있다.

상기의 액면의 상승 높이는 흑화 피막(21)을 부착하고자 하는 원통형 영역의 높이가 된다. 따라서 피막재료의 현탁액(80)의 주입량은 원통형 펀치(70)의 직경에 따라 달라질 수 있다.

본 실시 예에서 히터의 발열부(31)에 대응하는 영역인 원통형 슬리브의 상단을 기준으로 약 2.6㎜ 깊이까지만 흑화 피막(21)을 형성하였다. 2.6㎜는 함침형 음극용 펠렛(40) 및 컵(10)의 두께를 제외하면 약 2.1㎜가 되며, 이는 슬리브(20)가 히터(30)로부터 직접 복사열을 받는 영역에 해당하는 길이가 된다.

도 3은 슬리브(20) 내면의 흑화 피막(21) 형성 공정에서 흑화 피막의 길이에 따른 히터(30) 전류를 측정한 결과를 도식화 한 것이다. 그리고 히터의 발열부(31)인 머리부의 길이는 앞서와 같이 마찬가지로 동일한 음극의 온도하에서의 측정된 값을 말한다. 도 3으로부터 피막의 길이가 불필요하게 길어짐에 따라, 피막을 통한 열 전도 손실로 인해 슬리브의 열 효율이 떨어짐을 볼 수 있다.

본 발명의 실시예와 같이 히터의 발열부에 해당하는 슬리브의 내면에만 흑화 피막을 형성한 것(슬리브 흑화피막의 길이 2.6㎜)과 종래와 같이 슬리브 내면의 전면에 흑화 피막을 형성한 경우에 대해 도 4에 도시된 바와 같이 각각의 특성을 비교하였다.

도 4에서 표면 조도(Surface roughness)는 Rmax로 흑화 피막의 최고피크(peak)와 최저 골(valley)의 차이 값이다. 그리고, If는 히터 전류로 동일한 히터에 입력으로 6.3V전압을 가할시 히터에 흐르는 전류를 의미한다. 이는 음극의 온도가 동일한 상태에서, 히터의 전류가 낮다는 것은 음극 슬리브에 형성된 흑화 피막의 열 효율성이 높음을 의미한다. 그리고Ekco는 휘점 소거 전압이 초기 설정 값에서 2000시간 동작 후의 휘점 소거 전압을 뺀 값을 의미한다.

도 4를 통해 본 발명이 피막 두께의 균일성 측면에서도 우수하며, 히터에 의해 소비되는 전력을 줄일 수 있다는 장점을 갖으며, 전기적 특성면에서도 흑화 피막의 안정성으로 인해 휘점 소거 전압 변화를 줄일 수 있어 장시간 동안 안정적인 전자 방출 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 슬리브 내면 흑화 피막 형성시, 히터의 발열부에 대응하는 영역에만 부분적으로 흑화 피막을 형성시킴으로써 흑화 피막의 불안정성을 피할 수 있으며, 상기의 구조를 갖는 슬리브를 제조하는 방법으로 슬리브 내면에 히터의 발열부에 대응하는 부분에만 흑화 피막을 형성하기 위해 피막 재료의 현탁액을 먼저 슬리브의 원하는 부위에만 부착하고 이를 건조, 소결하여 흑화 피막을 형성하므로서 균일한 두께의 열흡수성 흑화 피막을 형성할 수 있고, 히터의 발열부에 대응하는 영역만 선택적으로 흑화 피막을 형성할 수 있어, 슬리브와 흑화 피막의 열적 안정성을 확보할 수 있으며, 이를 통해 장시간 동안 안정적인 전자 방출 특성을 확보 할 수 있다. 또, 흑화 피막 형성 영역의 최소화로 피막을 통한 열 전도 손실을 줄일 수 있어, 슬리브의 열 효율을 증대시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 음극선관용 음극을 구성하는 금속 슬리브(20)의 내면에 흑화 피막(21)을 형성함에 있어서,

   텅스텐과 알루미나 분말이 포함된 흑화 피막(21)을 히터의 발열부(31)와 대응하는 높이로 슬리브(20)의 내면에만 피막시킨 것을 특징으로 하는 음극선관용 함침형 음극의 구조.
2. 삭제
3. 음극선관용 음극의 슬리브(20)의 내면에 흑화 피막(21)을 형성하는 방법에 있어서,

   지그(50,51,52)에 원통형 음극 슬리브(20)를 세운 상태에서 흑화 피막용 재료를 포함한 현탁액(80)을 슬리브(20) 내에 주입하는 공정과;

   슬리브(20)에 원기둥펀치(70)를 삽입하고 현탁액(80)으로 압력을 가하여 현탁액의 액면을 히터의 발열부 주위에 해당하는 높이로 상승시키는 공정;

   현탁액(80)의 액면이 히터 발열부 주위에 해당하는 높이로 상승하는 경우 슬리브(20) 내에서 현탁액이 흘러내리도록하여 흑화 피막(21)을 형성하는 공정 및;

   흑화피막(21)이 형성된 슬리브(20)를 건조 및 가열하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 음극선관용 함침형 음극의 제조 방법.