KR100382060B1 - 써멧펠렛을이용한음극및그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계적 합금화 방법에 따라서 펠렛형으로 제조된 써멧 금속을 사용하여 음극을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 음극 제조방법은 종래의 음극 제조방법에 비하여 보다 용이한 제조공정으로 우수한 성능을 나타내는 음극을 제조할 수 있는 잇점을 갖는다. 즉, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 음극은 제조공정이 용이하고 사용용도가 다양할 뿐 아니라 일함수 값이 낮고 수명이 길어서 종래의 음극을 대체할 수 있는 개선된 음극이다.

Description

써멧 펠렛을 이용한 음극 및 그 제조방법

본 발명은 음극 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시용용도가 다양하고 제조공정이 용이하며 가격이 저렴한 음극 및 그 제조방법에 관한 것이다.

CRT (Cathod Ray Tube) 또는 FED (Field Emission Device) 등에서 사용되는 음극은 열에너지를 통하여 열전자를 방출하는 것으로서, 그 가열방식에 따라 간접 가열방식에 의한 방열형과 직접 가열방식에 의한 직열형으로 크게 구분할 수 있다.

방열형 음극은 열전자를 요구하는 전자총에 적용되는 것으로서, 산화물 음극과 함침형 음극을 들 수 있다.

제 1도는 통상적인 산화물 음극의 구조를 나타내는 단면도이다.

일반적으로, 산화물 음극은 원판상의 금속기재 (2)와 이를 하부에서 지지, 고정하는 원판상의 슬리이브 (3), 슬리이브에 내장되는 음극 가열용 히터 (4), 및 알칼리토류 금속 산화물을 주성분으로 하며 금속기재 (2)의 상부에 피복 성형되는 전자방출물질층 (1)을 구비하고 있다.

이와 같이 형성된 산화물 음극은 일함수 (work function)가 낮아서 비교적 낮은 온도 (700-800℃)에서 사용할 수 있다는 점에서는 유용하다. 재료가 반도체이고 전기 저항이 크기 때문에 전자방출 밀도를 높이면 주울 (Joule)열에 의한 자기가열에 의해 재료가 증발되거나 용융되어 음극이 열화된다거나, 장기간 사용시 금속기재와 산화물층 사이에 층간 저항층이 형성됨으로써 수명의 단축을 초래한다는 문제점이 있었다.

또한, 함침형 음극은 다공질 텅스텐 속에 바륨 탄화물, 스트론튬 탄화물 또는 칼륨 탄화물과 같은 음극물질을 함침시켜 형성한 음극이다. 이러한 함침형 음극은 전류밀도가 높고 수명이 길다는 장점이 있는 반면에 제조공정이 복잡하고 단가가 비싸다는 단점이 있다.

이에 반하여 직열형 음극은 필라멘트와 열전자 방출원이 접촉되어 있는 구조를 이루고 있으며, 필라멘트에 직접 고정되는 베이스 메탈 또는 저장매체를 갖추는 것이 일반적이다.

제 2도는 음극물질이 다공성 펠렛의 형태인 통상적인 직열형 음극의 구조를 나타내는 단면도이다.

제 2도에 도시된 바와 같이, 종래의 직열형 음극은 음극물질이 함침되어 있는 다공성 펠렛의 양측면에 필라멘트 (22) (22')가 직접 접촉되는 구조를 가진다. 이와 같은 구조의 직열형 음극은 필라멘트의 접촉 유형에 따라 상기 펠렛 (21)의 하단에 상기 필라멘트 (22)가 직접 용접되거나 필라멘트 (22')가 다공성 펠렛 (21)의 몸체를 관통하는 형태로 고정되는 구조를 갖는다.

또한 직열형 음극을 제조하는 다른 방법으로는 금속을 아아크 멜팅(arc melting)한후 성형하여 사용하거나, 써멧계 금속 박막의 형태로 만들어 사용하는 방법 등이 있을 수 있다.

이러한 직열형 음극은 발열체에 접촉되어 있는 필라멘트에 의해 직접 가열됨과 아울러 필라멘트로부터의 전류에 의해 직접 발열하는 형태를 가지기 때문에 전류 인가후 열전자 방출이 시작되는 시간까지가 매우 짧고, 방출되는 열전자의 밀도가 높을뿐 아니라 음극의 수명이 길다는 장점이 있다.

그러나, 직열형 음극 구조체는 제조공정상의 어려움으로 인하여 고품질을 유지하기가 쉽지 않고 생산성 면에서도 불리하다.

즉, 아아크 멜팅에 의해 음극을 제조하는 경우 금속간의 융점 차이로 인하여 용해시 성분비가 달라질 수 있다.

또한, 함침형 펠렛을 이용하여 직열형 음극을 제조할 수도 있으나, 이 경우에는 펠렛의 크기를 작게 만들어야 하는데, 함침형 펠렛은 크기가 작아질 경우 전자방출물질의 용량 한계로 인하여 수명단축을 피할 수 없게 된다.

Cr₃Si와 같은 써멧 금속을 이용하여 직열형 음극을 제조하는 방법도 있는데, 지금까지는 크롬 원자와 실리콘 원자를 동시에 스퍼터링하는 2원 스퍼터링법에 의해 박막 형태로 제조하여 이것을 음극의 제조시에 사용하여 왔다. 그런데, 이러한 제조방법은 공정이 까다로울 뿐 아니라 박막 형태로 제조되었기 때문에 용도가 한정적이라는 단점이 있다.

그러나, 써멧 금속을 이용하여 제조된 음극은 일함수 값이 낮고 수명이 길어서 음극으로서는 매우 유리한 조건을 가지고 있다.

따라서, 본 발명자들은 써멧 금속의 제조공정상의 단점과 형태상의 한계를 극복할 수 있는 방법에 대해 연구를 계속한 결과, 본 발명을 완성하게 되었다.

즉, 본 발명의 제1 목적은 써멧 금속을 펠렛형으로 성형한 써멧 펠렛을 음극 물질로 사용함으로써 사용용도가 다양하고 제조공정이 용이하며 가격이 저렴한 음극을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 제2 목적은 기계적 합금화 공정을 이용하는 상기 음극의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기의 제1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는,

써멧 금속을 펠렛형으로 성형하여 제조된 써멧 펠렛;

상기 펠렛에 개재된 필라멘트;

상기 펠렛의 하부에 형성된 절연체: 및

상기 절연체에 연결되며 상기 펠렛을 지지하기 위한 지지체로 이루어진 것을 특징으로 하는 음극이 제공된다.

제 3도에는 본 발명의 방법에 따라 만들어진 음극을 도시한 단면도이며, 제 4도는 본 발명에 따른 음극의 핵심부분(점선으로 표시된 부분)을 상세하게 도시한 것이다.

제 3도에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 음극은 써멧 펠렛(31), 필라멘트(32), 절연체(33) 및 지지체(34)로서 구성되어 있다.

상기 본 발명의 음극에 있어서, 음극물질로서 사용된 써멧 금속은 Cr₃Si이며, 이를 이용하여 성형된 펠렛의 크기는 0.9 내지 1.5mm이다.

또한, 필라멘트로서는 통상적으로 텅스텐 와이어가 사용되는데, 이것을 써멧 금속의 펠렛에 개재시키는 방법으로는 필라멘트가 써멧 펠렛을 관통하도록 할 수도 있고, 필라멘트를 써멧 펠렛의 하부면에 밀착, 고정시킬 수도 있다 (제 4도 참조).

전기적 쇼트의 발생을 방지하기 위하여 써멧 금속의 하부에 형성된 절연체로는 전기절연성, 내열성 및 기계적 강도를 모두 만족시킬 수 있는 세라믹 재료가 사용된다.

또한, 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는,

a) 크롬 분말과 실리콘 분말을 공정제어제와 함께 반응기에 넣은 다음 이 반응기를 회전시키면서 기계적으로 합금시킨후 열처리하여 Cr₃Si 분말을 형성하는 단계:

b) 상기 Cr₃Si 분말과 SiO₂분말을 혼합한 다음, 다시 기계적으로 합금시킨후 열처리하여 혼합 분말을 형성하는 단계;

c) 상기 혼합분말을 결합제와 혼합한 다음, 소정 압력하에 펠렛형으로 가압 성형하여 써멧 펠렛을 제조하는 단계;

d) 상기 써멧 펠렛을 진공하에 400 내지 700℃ 범위의 온도에서 열처리하여 펠렛 내의 가스를 제거한 다음, 1,300 내지 1,800℃의 온도 범위에서 1 내지 500시간 동안 추가로 열처리하는 단계; 및

e) 상기 열처리된 써멧 펠렛에 필라멘트를 개재시켜 음극을 제조하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 써멧계 음극의 제조방법이 제공된다.

상기 단계 a)에서 크롬 분말과 실리콘 분말의 사용몰비는 3:1이다. 또한, 공정제어제로는 통상적으로 스테아르산 또는 메탄올이 사용되는데 사용량은 반응물인 크롬 분말과 실리콘 분말의 총량을 기준으로 하여 1 내지 3중량%이다. 이 때의 반응조건은, 반응기의 회전속도가 300 내지 700rpm이고, 소요시간이 10 내지 50시간이다.

크롬 분말과 실리콘 분말을 진공하에 직접 열처리하여 Cr₃Si 분말을 제조할수도 있으나, 이 경우에는 열처리 온도가 높고 제조된 Cr₃Si 분말의 입자 크기가 너무 크다는 단점이 있다. 이에 비하여 열처리 공정 이전에 기계적 합금화 공정을 거치게 되면 낮은 온도, 예를 들면 600 내지 1,000℃에서도 열처리가 가능해질 뿐 아니라 미세한 분말입자를 얻을 수 있어 후속의 공정을 실시하기가 용이해진다.

그런데, 단계 a)에서 수득된 Cr₃Si는 일함수 값이 2 내지 3ev 정도를 나타내기 때문에 음극물질로서 직접 사용하게 되면 바람직한 결과를 얻을 수 없게 된다. 이러한 점을 보완하기 위하여, SiO₂를 혼합함으로써 일함수 값을 1ev 이하로 낮출 수 있다.

상기 써멧 펠렛을 성형하는 단계에서 사용되는 결합제로는 통상의 왁스류 및 폴리비닐알콜 (PVA)과 같은 알콜류를 사용할 수 있는데, 이러한 결합제는 단계 b)에서 형성된 균일하고 미세한 혼합분말을 결합시키기 위한 것이다. 또한, 써멧 펠렛은 가압성형에 의해 형성되며, 이때 3 내지 8ton/cm²의 압력이 적용된다.

단계 d)에서 열처리하여 가스를 제거시킨 펠렛에 대하여 추가의 열처리를 실시하는 이유는 펠렛 내의 써멧 합금을 균질화시키기 위한 것이다.

이렇게 성형된 펠렛의 크기는 0.9 내지 1.5mm인 것이 바람직하다.

또한, 성형된 써멧 펠렛을 사용하여 음극을 제조할 때, 필리멘트로서는 텡스텐 와이어를 사용할 수 있다.

상기에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 펠렛형 써멧 금속은 펠렛형으로 성형됨으로써 음극 제조시 취급이 용이할 뿐 아니라 박막형과는 달리 다양한 용도의 음극으로서 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 써멧 펠렛을 사용하여 제조된 음극은 일함수 값이 낮고 수명이 길어서 종래의 음극을 대체할 수 있는 개선된 음극이다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 상세히 설명할 것이나 본 발명이 이에 한정되지는 아니한다.

실시예

크롬 금속분말 16.96g과 실리콘 분말 3.026g을 볼밀 반응기에 넣고, 분말의 사용량에 대하여 100배량의 볼을 채워넣은 다음 분말의 중량을 기준으로 하여 3중량%의 스테아르산을 공정제어제로서 첨가하고 기계적 합금화 공정이 끝난후 800℃에서 열처리 공정을 진행하여 Cr₃Si 분말을 형성하였다.

상기의 Cr₃Si 분말과 SiO₂분말 (중량비 9:1)과 함께 다시 한 번 통상의 기계적 합금화 공정에 의해 반응시켜 혼합분말을 형성하고 이것을 900℃에서 열처리하였다. 이어서, 폴리비닐알콜과 혼합하고 5ton/cm²의 압력으로 압착성형하여 크기가 1.0nm인 펠렛을 제조하였다.

수득된 펠렛을 진공하에 1,500℃에서 다시 열처리한후, 이 펠렛의 하면에 텅스텐 와이어를 밀착, 고정시켜서, 직열형 음극을 제조하였다.

상기 음극에 대하여 일함수 값을 측정한 결과 0.8ev를 나타내었으며, 1,200℃의 동작온도에서 전류밀도가 30mA/cm²이었다.

이러한 음극 성능의 조사 결과는 함침형 펠렛을 사용하는 직열형 음극의 성능 (전류밀도: 약 10mA/cm²) 보다 개선된 것이며, 아아크 멜팅에 의해 제조된 직열형 음극이나 박막형의 써멧 금속을 채용하는 직열형 음극과는 동일하거나 그 이상의 성능을 나타낸다.

따라서, 종래 기술에 의한 직열형 음극의 제조 공정상의 어려움을 감안한다면 본 발명에 따른 펠렛형 써멧 금속을 사용하는 직열형 음극은 보다 용이한 제조공정으로 우수한 성능을 나타내는 음극을 제조할 수 있다는 점에서 유용하다고 할 수 있다.

즉, 본 발명의 방법에 의해 제조된 직열형 음극을 제조공정이 용이하고 사용용도가 다양할 뿐 아니라 일함수 값이 낮고 수명이 길어서 종래의 직열형 음극을 대체할 수 있는 개선된 음극이다.

제 1도는 통상적인 산화물 음극의 구조를 나타내는 단면도이다.

제 2도는 통상적인 직열형 음극의 구조를 나타내는 단면도이다.

제 3 도는 본 발명에 의해 제조된 음극의 구조를 나타내는 단면도이다.

제 4도는 제 3도의 점선 부분을 보다 상세하게 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

11. 전자방출물질층 12. 금속기재

13. 슬라이브 14. 히터

15. 금속선 16. 전기절연층

21. 다공성 펠렛 22, 22'. 필라멘트

31. 써멧 펠렛 32. 필라멘트

33. 절연체 34. 지지체

Claims (13)

1. Cr₃Si 및 SiO₂를 포함하는 써멧 펠렛;

   상기 펠렛에 개재된 필라멘트;

   상기 펠렛의 하부에 형성된 절연체; 및

   상기 절연체에 연결되며 상기 펠렛을 지지하기 위한 지지체로 이루어진 것을 특징으로 하는 음극.
2. 제 1항에 있어서, 상기 써멧 펠렛의 크기가 0.9 내지 1.5mm인 것을 특징으로 하는 음극.
3. 제 1항에 있어서, 상기 필라멘트가 펠렛의 하부면에 밀착 고정된 것임을 특징으로 하는 음극.
4. 제 1항에 있어서, 상기 필라멘트가 펠렛을 관통하여 개재된 것임을 특징으로 하는 음극.
5. 제 1항에 있어서, 상기 절연체가 세라믹인 것을 특징으로 하는 음극.
6. a) 크롬 분말과 실리콘 분말을 공정제어제와 함께 반응기에 넣은 다음, 이 반응기를 회전시키면서 기계적으로 합금시킨후 열처리하여 Cr₃Si 분말을 형성하는 단계;

   b) 상기 Cr₃Si 분말과 SiO₂분말을 혼합한 다음, 다시 기계적으로 합금시킨후 열처리하여 혼합 분말을 형성하는 단계;

   c) 상기 혼합분말을 결합제와 혼합한 다음, 소정 압력하에 펠렛형태로 성형하여 써멧 펠렛을 제조하는 단계;

   d) 상기 써멧 펠렛을 진공하에 400 내지 700℃ 범위의 온도에서 열처리하여 펠렛 내의 가스를 제거한 다음, 1,300 내지 1,800℃의 온도 범위에서 1 내지 500시간 동안 추가로 열처리하는 단계; 및

   e) 상기 열처리된 써멧 펠렛에 필라멘트를 개재시켜 음극을 제조하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 음극의 제조방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 단계 a)에서 상기 크롬 분말과 상기 실리콘 분말의 사용몰비가 3:1인 것을 특징으로 하는 음극의 제조방법.
8. 제 6항에 있어서, 상기 단계 a)에서 상기 공정제어제가 스테아르산 또는 메탄올이며, 상기 크롬 분말과 실리콘 분말의 총량에 대하여 1 내지 3중량% 사용되는 것을 특징으로 하는 음극의 제조방법.
9. 제 6항에 있어서, 상기 단계 a)에서 반응기의 회전속도가 300 내지 700rpm이고, 소요시간이 10 내지 50시간인 것을 특징으로 하는 음극의 제조방법.
10. 제 6항에 있어서, 상기 단계 a)에서 열처리 온도가 600 내지 1,000℃에서 실시되는 것을 특징으로 하는 음극의 제조방법.
11. 제 6항에 있어서, 상기 단계 b)에서 열처리 온도가 800 내지 1,000℃에서 실시되는 것을 특징으로 하는 음극의 제조방법.
12. 제 6항에 있어서, 상기 단계 c)에서 상기 소정 압력이 3 내지 8ton/cm²인 것을 특징으로 하는 음극의 제조방법.
13. 제 6항에 있어서, 상기 써멧 금속의 성형단계에서 제조된 펠렛의 크기가 0.9 내지 1.5mm인 것을 특징으로 하는 음극의 제조방법.