KR100393990B1

KR100393990B1 - 음극선관용 히터

Info

Publication number: KR100393990B1
Application number: KR10-2000-0039586A
Authority: KR
Inventors: 고영덕
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2003-08-09
Also published as: KR20020006109A

Abstract

본 발명은 칼라음극선관용 히터의 금속선 표면에 코팅되는 알루미나를 주성분으로 하는 절연막에 열전도성과 절연성이 우수한 물질을 혼합하여 조성시킴으로써 절연막의 열효율 향상으로 히터의 열원인 금속선의 단선이나 절연막의 균열 등을 방지함과 함께 히터에 가해지는 전력소모를 줄이는데 적합한 히터에 관한 것이다.

이에 따른 구성은 음극선관용 히터의 금속선에 코팅되는 알루미나를 주성분으로 하는 절연막에 있어서, 알루미나 60∼80중량%, 탄화규소(SiC) 또는 산화베릴륨(BeO) 중 하나 이상이 20∼40중량% 조성되고, 상기 탄화규소(SiC) 또는 산화베릴륨(BeO)의 입경이 알루미나 입경과 동일하거나 그 보다 큰 것임을 특징을 하는 절연막을 구비한 음극선관용 히터에 관한 기술이다.

Description

음극선관용 히터{heater for CRT}

본 발명은 음극선관용 히터에 관한 것으로, 특히 히터의 금속선에 코팅되는 알루미나를 주성분으로 하는 절연막에 열전도성과 절연성이 우수한 물질을 혼합하여 조성시킴으로써 절연막의 열효율 향상으로 히터의 열원인 금속선의 단선이나 절연막의 균열 등을 방지함과 함께 히터에 가해지는 전력소모를 줄이는데 적합한 히터에 관한 것이다.

음극선관은 칼라텔레비전을 비롯하여 오실로스코프나 레이다의 관측용으로 가장 널리 사용되는 표시 장치이다. 이러한 음극선관은 전자총으로부터 방사된 전자빔을 스크린의 형광면에 집속시켜 화상을 구현하게 되며, 전자빔의 최초 발원지로서의 음극이 매우 중요한 역할을 한다.

음극은 전자방사의 재료에 따라 산화물 음극과 함침형 음극으로 나누어지는데, 산화물음극은 제조방법이 용이하고 저가의 재질로 구성되기 때문에 가장 널리사용고 있지만, 고전류 밀도하에서 동작시키기에는 미흡하다. 따라서 고전류 밀도하에서의 구동에는 함침형 음극이 적용되고 있다. 상기 산화물 음극과 함침형 음극이 동작하기 위해서는 소정의 열이 음극에 가해져야 하는데, 산화물에 비해 함침형 음극에 가해지는 열이 훨씬 많다.

즉, 산화물 음극의 동작온도가 대략 800℃인데 반해, 함침형 음극의 경우는 거의 1000℃에 이른다.

따라서 음극선관에는 음극에 열을 가하기 위해 히터를 탑재하는데, 음극의 타입에 따라 히터의 설계가 결정된다. 즉 산화물 음극과 함침형 음극의 동작온도가 다르므로 히터로 부터 음극에 가해지는 열량이 다르므로 이를 고려하여 히터를 설계한다.

산화물 음극은 탄산염(BaCO₃, SrCO₃, CaCO₃)을 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 기체금속 위에 스프레이 한 후 에이징 공정을 거침에 따라 산화물(BaO, SrO, CaO)로 분해됨으로써 전자 생성원을 형성한다.

반면에 함침형 음극은 도 1과 같이 고융점 금속이며 환원제 역할을 하는 텅스텐(W)과 같은 고융점 금속분말(입경 : 2∼14㎛)을 압축 성형하고, 고온하에서 소결시켜 기공율이 약 20% 정도인 다공성 펠렛상의 소결체를 만든 후 이 소결체내에 BaO, CaO, Al₂O₃등의 전자방사 물질을 함침하여 음극기체(1)를 만들고, 이 음극기체를 내열금속인 음극컵(2) 내부에 삽입시키고 측면을 레이져 용접하고, 음극컵(2) 외측면에는 원통형 음극슬리브(3)를 부착 고정하며 , 이 음극슬리브는 음극홀더(4)에 용접한다.

또한 음극슬리브(3)내부에는 음극가열용 히터(5)가 삽입되며, 음극기체(1) 상면에는 전자방사 특성을 향상시키기 위해 백금족원소인 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 이리늄(Ir) 등의 희토류 금속으로 피복층(6)을 스퍼터링법으로 형성한다.

상기 구조에서 히터(5)의 용접부를 통하여 정전압을 인가하면 4∼6초이내에 필요한 열량의 열이 히터의 발열부에서 발열되어 음극컵(2)을 통해 기체금속(1)에 전도되며, 기체금속에 함침된 전자방사물질이 음극기체의 텅스텐과 반응하여 생성된 Ba/BaO는 음극기체 상부로 확산하여 상부에서 단원자층을 형성하여 전자방사에 기여한다.

상기한 음극선관용 전자총에 사용되는 히터(5)는 음극선관용 제조과정중 에이징 스케줄상에 필요 전압을 인가하면 발열부는 음극선관 제조과정에서는 1150∼1200℃, TV 정상 작동시는 대략 100℃에서 순간 발열되기 때문에 히터는 순간 고열에서도 형상을 유지하여야 하고 전압 인가시 고전압에서도 절연이 이루어져야한다.

따라서 도 2와 같이 절연막(7)과 보온막인 흑화피막(8)을 형성시킨다.

즉, 히터(5)는 맨드릴선인 몰리브덴선(A)에 발열선인 텅스텐선(B)을 감고, 그 표면에 알루미나액을 이용하여 절연막(7)을 형성한 후 복사율 증대와 발열시 난반사를 방지하기 위해 흑화처리제 분말로 흑화피막(8)층을 형성한다. 그리고 고온 수소분위기에서 소결하여 열적, 전기적 및 외부적 충격에 견딜수 있는 강도를 갖는 히터를 얻게된다.

상기 히터로부터 음극의 주된 열의 흐름은 절연막, 흑화피막 그리고 흑화피 막과 음극슬리브 사이의 진공을 매개로하여 이루어지는데, 절연막은 알루미나 분말과 기공으로 형성된 다공성 물질로 기공율에 따라 약간의 차이는 있지만 일반적으로 약 85%의 열전도와 약 15%의 열 복사에 의해 열이 전달되며, 흑화막에서는 피막 두께가 매우 얇아 열 전달의 대부분이 열전도에 의해 이루어지고. 흑화막과 음극슬리브 사이에서는 열 복사에 의해 열이 전달된다.

상기와 같이 히터로부터 음극으로의 열전달은 여러 매체를 통한 열전도와 열 복사가 섞여 있어 매우 복잡하다. 따라서 히터로 부터 음극으로의 열전달 효율을 높이기 위해서는 여러 각도에서 접근되어야 한다. 하지만 종래에는 주로 히터의 흑화 피막으로 부터 음극슬리브의 열 복사 효율의 향상에 관심이 집중되었다(일본 특개평 11-250799 등).

하지만 상기에서와 같이 히터의 금속선을 둘러 싸고 있는 절연막에 의한 열 손실을 간과해서는 안 될 것이다. 가령 절연막의 주성분인 알루미나의 경우 고온에서 열전도성이 매우 낮아 히터의 열원인 금속선으로 부터 절연막의 외측에 있는 흑화피막으로의 열전달 효율이 떨어진다. 이로 인해 흑화피막으로 부터 음극슬리브의 복사열이 줄어들게 되어 결국에는 히터의 열효율을 저해하는 효과를 가져오게 된다.

특히, 높은 동작 온도를 요하는 함침형 음극과 함께 사용되는 히터의 경우 히터의 금속선에 보다 많은 전력을 공급해서 금속선의 온도를 높여야 하므로 히터의 에너지 소비가 커지며, 금속선의 온도 상승으로 인해 금속선의 단선이나 절연막 파괴와 같은 신뢰성 문제를 일으킨다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 히터의 표면에 형성되는 알루미나 재질로된 절연막에 절연성과 열전도도가 우수한 물질을 혼합하여 조성시킴으로써, 히터 절연막의 열전도도를 향상시켜 히터 금속선의 온도를 낮추면서 음극선관 동작시 히터에 공급되는 전력을 줄임과 함께 열에 의한 금속선의 단선을 막아 히터의 수명을 증대시키고 고온에 의한 절연막의 파괴와 같은 신뢰성 문제가 억제된 절연막을 갖고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 히터가 삽입 설치된 함침형 음극구조도

도 2는 도 1의 "A"에 대한 히터의 확대 단면도

도 3은 본 발명에 따른 히터 단면의 상세도

도 4는 본 발명의 재질과 관련한 온도에 따른 열전도도 변화 상태도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

5 : 히터 8 : 흑색피막 9 : 절연막

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 음극선관용 히터의 금속선에 코팅되는 알루미나를 주성분으로 하는 절연막에 있어서, 알루미나에 탄화규소(SiC) 또는 산화베릴륨(BeO) 중 적어도 하나 이상 첨가하여 조성된 절연막을 구비한 히터로 구성된다.

상기한 본 발명은 히터의 금속선에 코팅되는 절연막의 열전도도를 향상시키기 위해 알루미나와 함께 첨가되는 물질은 절연성이 뛰어나면서 알루미나에 비해열전도성이 좋은 탄화규소(SiC) 또는 산화베릴륨(BeO) 중 적어도 하나 이상을 알루미나와 일정비율로 혼합함으로써 열전도도가 향상된 절연막으로 이루어진다.

본 발명에서 바람직한 혼합비율은 100중량%로써, 탄화규소(SiC) 또는 산화베릴륨(BeO) 중 적어도 하나 이상이 20∼40중량%이고, 나머지는 알루미나로 조성된다. 그리고 본 발명에서 적용하고 있는 물질인 산화규소나 산화베릴륨 및 산화마그네슘의 열 복사율도 우수하므로 절연막 내의 기공을 통한 열 복사량을 증가시킬수 있어 절연막의 열효율성 증대에 기여할 수 있다.

도 3은 본 발명에 적용되는 히터 구조를 나타낸 것으로, 도 2와 동일한 히터의 금속 코일[즉, 도 2와 같이 맨드릴선인 몰리브덴선(A)에 발열선인 텅스텐선(B)을 감김하여서된 히터의 금속코일] 표면에 상기한 본 발명의 조성을 이용하여 절연막(9)을 형성한 후 복사율 증대와 발열시 난반사를 방지하기 위해 흑화처리제 분말로 흑화피막(8)을 형성한다. 그리고 고온 수소분위기에서 소결하여 열적, 전기적 및 외부적 충격에 견딜수 있는 강도를 갖는 히터를 얻게된다.

도 4는 탄화규소와 산화베릴륨, 알루미나의 온도에 따른 열전도도를 나타낸 것으로, 이에 나타난 바와 같이 각 물질들이 온도가 증가함에 따라 열전도도가 떨어지지만 함침형 음극의 온도인 1000℃ 이상에서 알루미나에 비해 본 발명에 적용되는 탄화규소와 산화베릴륨의 열전도도가 우수하다.

본 발명에 이용되는 알루미나 입자는 평균 입경이 약 4㎛이며, 입경 3㎛ 이하인 것이 30∼45% 차지한 것을 사용하는 것이 바람직하며, 흑색피막(8) 형성 재료로는 상기의 입자 분포를 갖는 알루미나와 입경이 1㎛ 이하인 텅스텐 분말을 사용하였다. 흑색피막(8)은 알루미나와 텅스텐 분말을 바인더와 혼합 후 딥핑(dipping)법을 이용하여 두께가 5∼10㎛인 흑색피막을 형성한다.

절연막을 형성하는 방법은 전기영동법(Electrophoretic Coating)을 이용하는데, 알루미나와 상기 첨가 물질을 분말 상태로 일정비율로 혼합 후 이를 질산마그네슘 및 질산알루미늄 등의 전해질과 에탄올을 섞어 절연액을 완성한다.

그리고 히터의 열원인 레늄-텅스텐 합금선 코일을 부전극으로 유지하고 백금제 정전극과 함께 상기의 절연액에 담근 후 50∼100V의 전압을 인가함으로써 절연층이 형성된다. 이때 절연막의 두께는 75∼90㎛이다.

여기서 절연막 형성시 알루니마와 함께 첨가되는 탄화규소 및 산화베릴륨의 입경에 따라 히터의 생산성 및 열전도도가 다르다.

즉, 탄화규소 및 산화베릴륨 등의 첨가 물질의 입경이 사용되는 알루미나의 입경보다 작을 경우 현탁액 상태의 절연액에서 첨가 물질의 입자들이 알루미나 입자와 뭉쳐져 고체 상태의 반응이 일어나 히터에 절연막이 형성되었을때 오히려 열전도도를 떨어뜨리는 결과를 초래할 뿐만아니라 입경이 작을 수록 생산성이 떨어진다. 따라서 탄화규소나 산화베릴륨 등의 첨가 물질의 입경은 알루미나와 동등하거나 그 이상이어야 한다.

다음은 실시예에 따라 설명한다.

절연막의 열전도도 특성을 비교하기 위해 히터의 열원인 레늄-텅스텐 금속선에 일정한 두께의 절연막을 형성하고 그 외측에 흑화피막을 형성한 후 건조, 소결하여 히터를 완성하고 완성된 히터를 음극선관용 전자총에 함침형 음극과 함께 탑재하여 음극의 온도를 측정하였다. 이 경우 음극의 온도가 높을 수록 열전도성이 우수하였다.

실시예 1

(표 1)은 탄화규소와 산화베릴륨의 입자 크기별 음극온도를 나타낸 것으로, 알루미나와 탄화규소 또는 산화베릴륨의 혼합비율(중량비)이 80:20인 경우의 데이터이다. 여기서 음극온도는 히터에 6.3V의 전압을 인가 했을때 측정한 값이다.

	종래품	본 발 명(평균입경: ㎛)
	종래품	2.0	4.0	6.0	8.0
SiC첨가시(℃b)	980	983	980	1005	981
BeO첨가시(℃b)	980	981	985	997	979

* 종래품은 탄화규소나 산화베릴륨이 첨가되지 않은 경우임

(표 1)로부터 탄화규소나 산화베릴륨 입자의 크기는 알루미나의 평균입자 크기의 약 1.5배일 때 열전도도가 가장 우수함을 알 수 있으며, 탄화규소나 산화베릴륨의 입자가 알루미나의 입자보다 작은 경우는 음극의 온도가 종래의 것에 비해 차이가 없게 된다. 반면에 탄화규소나 산화베릴륨 입자의 크기가 너무 클 경우는 절연막의 기공율이 너무 커서 열전도도가 떨어질 뿐만아니라 절연성도 떨어진다.

실시예 2

절연액에 포함된 탄화규소 및 산화베릴륨 입자와 알루미나 입자의 혼합비에 따른 열전도도 특성을 실험하였다.

입자 크기와 입자의 혼합비가 동시에 영향을 미치지만, 본 실험에서는 평균입자 및 입자분포는 일정하게 유지하면서 알루미나와의 혼합비만을 고려하였다. 알루미나의 평균입경은 4.0㎛이고, 탄화규소나 산화베릴륨 물질의 평균입경은 6.0㎛으로 하였다.

실험을 통해 알루미나 입자의 비율이 작아짐에 따라 절연막의 부착성은 떨어지는 경향을 얻었다. 따라서 일정비율까지는 알루미나 입자가 포함되어야 한다.

(표 2)는 탄화규소 및 산화베릴륨 입자와 알루미나 입자의 혼합 비율에 따른 음극온도를 나타낸 것이다. 음극온도는 함침형 음극을 적용한 전자총에 대한 것으로서 열전도성을 간접적으로 비교하기 위해 측정한 것으로 음극의 온도가 높을 수록 열전도성이 우수하였다.

	종래품	본 발 명 (혼합비율)
	종래품	20%	30%	40%	50%
SiC첨가시(℃b)	980	1005	1011	1013	1014
BeO첨가시(℃b)	980	997	1002	1006	1008
절연막부착상태	양호	양호	양호	양호	불량

* 종래품은 탄화규소나 산화베릴륨이 첨가되지 않은 경우임

* 혼합비율은 알루미나와 첨가물을 혼합시 첨가물의 중량비임

상기 (표 2)를 통하여 알 수 있는 바와 같이 탄화규소 및 산화베릴륨을 각각 20∼40중량% 일때 열전도성 및 부착성이 우수한 실험 결과를 얻었다.

혼합비율이 50:50인 경우에 음극의 온도가 더 높지만 절연막의 부착성이 좋지 않아 적합하지 않은 혼합비율 임을 알 수 있다.

실시예 3

(표 3)은 함침형 음극의 온도가 히터 인가 전압 6.3V 에서 980℃일때, 종래의 히터와 본 발명을 통한 히터에 인가되는 전력을 측정 비교한 것이다.

실험에서 평균 입자경이 6㎛인 탄화규소를 사용하였으며 알루미나 입자와 80:20중량%로 혼합하였다. 그리고 히터의 열원인 금속선의 코일은 음극온도 980℃가 되도록 설계한 것이다. (표 3)에서와 같이 본 발명을 통해 얻은 히터의 전력 소비가 종래의 히터에 비해 적은 것을 알 수 있다.

	종래의 히터	본발명의 히터
히터전류(mA)	370	335
소비전력(Watt)	2.33	2.11

이상에서와 같이 본 발명은 히터의 금속선 표면에 코팅되는 알루미나를 주성분으로 하는 절연막에 탄화규소 또는 산화베릴륨을 혼합하여 조성시킴으로써, 절연막의 열전도도를 향상시켜 히터 금속선의 온도를 낮추면서 음극선관 동작시 히터에 공급되는 전력을 줄임과 함께 열에 의한 금속선의 단선을 막아 히터의 수명을 향상시키고 고온에 의한 절연막의 파괴와 같은 신뢰성 문제가 억제된 절연막을 얻게 된다.

Claims

음극선관용 히터의 금속선에 코팅되는 알루미나를 주성분으로 하는 절연막에 있어서, 알루미나 60∼80중량%, 탄화규소(SiC) 또는 산화베릴륨(BeO) 중 하나 이상이 20∼40중량% 조성되고, 상기 탄화규소(SiC) 또는 산화베릴륨(BeO)의 입경이 알루미나 입경과 동일하거나 그 보다 큰 것임을 특징을 하는 절연막을 구비한 음극선관용 히터.
삭제
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제 1항에 있어서,

탄화규소(SiC) 또는 산화베릴륨(BeO)의 입경이 알루미나 입경 크기의 1.5배임을 특징으로 하는 음극선관용 히터.