KR100400587B1

KR100400587B1 - 음극선관용 음극 구조체

Info

Publication number: KR100400587B1
Application number: KR10-2001-7005388A
Authority: KR
Inventors: 야마기시미카
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2003-10-08
Also published as: DE69938053T2; WO2000025338A1; EP1126493B1; CN1332886A; EP1126493A1; DE69938053D1; KR20010089378A; CN1159745C; EP1126493A4; TW430842B; US6492765B1

Abstract

환원성 원소를 포함하는 기체 상에 전자 방사 물질층이 형성된 음극에 있어서, 기체의 층 형성용 면을 A, 기체와 전자 방사 물질층의 접촉 면적을 B로 하여, 0.24 ≤ B/A ≤ 0.93으로 한다. 또, 기체의 두께를 C, 전자 방사 물질층의 두께를 D로 하여, 0.4 ≤ D/C ≤ 0.7로 한다. 이렇게 하여, 충분한 전자 방사가 얻어지고, 동작중의 전자 방사의 경시 감소가 적고, 컷오프 전압의 변동이 작은 음극 구조체를 제공한다.

Description

음극선관용 음극 구조체{CATHODE STRUCTURE FOR CATHODE RAY TUBE}

도 2에 나타낸 바와 같이, 음극선관(1)은 내면에 형광면(1)을 갖는 페이스 플레이트부(3)와, 페이스 플레이트부(3)의 후방에 접착된 펀넬부(4)와, 펀넬부(4)의 네크부(7) 내부에 배치된 전자 빔(5)을 방사하는 전자총(6)을 구비하고 있다.

전자총(106)의 일단부에는 방열형(傍熱型)의 음극 구조체(108)가 설치되어 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 음극 구조체(108)에서는, 통형상 슬리브(109)의 일단부에 캡형상의 기체(基體)(110)가 씌워지고, 기체(110)의 표면에 열전자를 방출하는 전자 방사성 에미터로 이루어지는 전자 방사 물질층(111)이 형성되어 있다. 또, 통형상 슬리브(109)의 내부에는 금속선 코일(112) 상에 알루미나 절연층(113) 및 그 상층에 다크층(114)을 갖는 코일형상의 가열용 히터(115)가 구비되어 있다. 통상, 전자 방사 물질층(111)은 전자 방사측에 면하는 기체 표면(120) 전 면에 형성된다.

기체 표면의 중앙부에만 알칼리 토류 금속 등을 포함하는 전자 방사 물질층을 스프레이 등에 의해 부착시킨 음극 구조체도 제안되어 있다(특개평 5-334954호공보). 이 음극 구조체에서는, 전자 방사에 그다지 관여하지 않는 주변부에서의 전자 방사 물질층을 감소시킴으로써, 히터로부터의 열이 전자 방사 물질층에 효율적으로 흡수된다.

그런데, 음극의 활성화 공정에 있어서, 기체중에 함유된 환원성 원소(예를 들면, 마그네슘, 실리콘 등)는 전자 방사 물질과 기체의 계면에 열 확산하여, 전자 방사 물질(주성분이 산화바륨 등의 알칼리 토류 산화물)을 환원하여 자유 유리 바륨을 생성하여, 전자 방사를 가능하게 한다. 이 환원 반응은 이하의 식으로 나타낸다.

2BaO + 1/2Si = Ba + (1/2)Ba₂SiO₄

BaO + Mg = Ba + MgO

그러나, 상기 종래의 음극 구조체에서는, 초기의 활성화 공정에서 충분한 전자 방사가 얻어지지 않는다는 문제, 및 동작중의 전자 방사의 경시 감소가 커진다는 문제가 있었다. 또한, 환원 반응의 진행에 의한 동작중 전자 방사 물질층의 수축이 과대해져, 대향 전극과 전자 방사 물질의 거리에 반비례하는 컷오프 전압(전자 빔 소거 전압)의 변동이 커진다는 문제도 있었다.

본 발명은 TV나 컴퓨터 모니터 등에 사용되는 음극선관의 전자총이 구비된 음극 구조체에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 음극 구조체의 일 형태의 단면도,

도 2는 음극선관의 일례를 나타낸 단면도,

도 3은 가속 수명 시험중의 G1 전압과 음극 전류의 관계를 나타낸 도면,

도 4는 비율 B/A와 제로전계 포화전류밀도의 관계를 나타낸 도면,

도 5는 기체와 전자 방사 물질층 사이에서 발생하는 화학 반응을 설명하기 위한 음극 구조체의 모식적인 부분 단면도,

도 6은 비율 D/C와 제로전계 포화전류밀도의 관계를 나타낸 도면,

도 7은 비율 D/C와 컷오프 전압 저하율의 관계를 나타낸 도면,

도 8은 종래의 음극 구조체의 일 형태의 단면도이다.

발명자의 연구에 의하면, 특개평 5-334954호 공보에 기재되어 있는 열효율의 개선과는 전혀 다른 관점에서, 전자 방사 물질량과 기체의 크기를 소정 관계를 만족하도록 조정하면, 상기 환원 반응이 적절하게 진행하여, 상기 과제를 해결할 수 있다는 것이 발견되었다.

본 발명은 기체의 크기와 전자 방사 물질층의 크기의 관계를 최적화함으로써, 특성이 개선된 음극 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 음극 구조체의 일 형태는, 환원성 원소를 포함하는 기체 상에 전자 방사 물질층이 형성된 음극선관용 음극 구조체에 있어서, 상기 기체의 층 형성용 면의 면적을 A, 상기 기체와 상기 전자 방사 물질층의 접촉 면적을 B로 했을 때, 0.24 ≤ B/A ≤ 0.93이며, 진공도를 10^-7mmHg, 음극 온도를 820℃, 음극 취출 전류를 DC 300㎂로 한 가속 수명 시험을 5000시간 실시한 후에, 제로전계 포화전류밀도가 6.4A/㎠ 이상인 것을 특징으로 한다.

여기서, 기체의 층 형성용 면이란, 기체의 전자 방사측에 면하는 표면을 말하고, 기체의 측면은 해당하지 않는다. 이 면의 면적은 층 형성면이 원형이면, 그 직경 d에 기초하여 π(d/2)²에 의해 구해진다.

이 음극 구조체에 의하면, 장기간 사용해도 실용상 충분한 음극 전류가 얻어짐과 동시에, 초기 음극 전류의 음극마다의 불균일도 대폭 저감할 수 있다. 기체의 크기가 정해지면, 실용 동작에 필요한 전자 방사 물질층의 크기는 용이하게 결정할 수 있다.

또, 본 발명의 음극 구조체의 다른 일 형태는, 환원성 원소를 포함하는 기체상에 전자 방사 물질층이 형성된 음극에 있어서, 상기 기체의 층 형성용 면의 면적을 A, 상기 기체와 상기 전자 방사 물질층의 접촉 면적을 B, 상기 기체의 두께를 C, 상기 전자 방사 물질층의 두께를 D로 했을 때, 0.24 ≤ B/A ≤ 0.93, 0.4 ≤ D/C ≤ 0.7인 것을 특징으로 한다. 이 음극 구조체에 의하면, 수명이 길게 또한 컷오프 전압의 변동을 작게 할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 형태인 음극 구조체(8)에서는, 통형상 슬리브(9)의 일단부를 덮도록 캡형상의 기체(10)가 슬리브(9)에 용접되어 있다. 기체(10)의 상방 표면(층 형성용 면)(20)에는 열전자를 방출하는 전자 방사성 에미터로 이루어지는 전자 방사 물질층(11)이 형성되어 있다. 통형상 슬리브(9)의 내부에는 금속선 코일(12) 상에 알루미나 절연층(13) 및 그 상층에 다크층(14)을 갖는 코일형상의 가열용 히터(15)가 구비되어 있다.

기체(10)는 니켈을 주성분으로 하고, 마그네슘, 실리콘 등의 환원성 원소를 포함하고 있다. 환원성 원소로는, 텅스텐, 알루미늄 등을 사용해도 된다.

기체의 상방 표면(20)의 면적 A, 기체(10)와 전자 방사 물질층(11)의 접촉 면적을 B로 하면, 비율 B/A는 0.24 이상 0.93 이하의 범위에 있다. 또, 기체(10)의 두께를 C, 전자 방사 물질층(11)의 두께를 D로 하면, 비율 D/C는 0.4 이상 0.7 이하의 범위에 있다. 또한, 면적 A는 기체(10)의 측면(21)을 제외한 전자 방출측에 면한 상방 표면(20)의 면적이다.

비율 B/A 및 비율 D/C를 상기 수치 범위 내가 되도록 제어함으로써, 후술하는 바와 같이 가속 수명 시험 5000시간 경과 후에 있어서 제로전계 포화전류밀도가 6.4[A/㎠] 이상, 컷오프 전압이 초기값의 85[%] 이내라는 통상 동작에 있어서 충분히 양호한 성능을 실현할 수 있다.

전자 방사 물질층(11)의 형성 방법의 예에 대해 설명한다. 먼저, 탄산 디에틸 85[%], 질산 15[%]로 이루어지는 유기 용제에, 알칼리 토류 금속 탄산염을 주성분로 하는 분말을 용해시켜, 혼합 도포액(수지 용액)을 제작한다. 분말은 적어도 탄산바륨과, 스트론튬 및 칼슘중 적어도 한쪽을 포함하는 것으로 한다. 예를 들면, 탄산바륨과 탄산스트론튬의 함유 비율은, 중량비로 1 : 1로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 이 혼합 도포액을 스프레이하여 기체(10)의 표면(20)에 도포한다. 소정의 전자 방사 물질 도포부에 상당하는 개구부를 갖는 틀(도시 생략)을 기체(10)에 씌워 스프레이함으로써, 소정 부분에만 전자 방사 물질층(11)을 형성할 수 있다. 전자 방사 물질층(11)의 두께는 스프레이 시간을 조정하면 제어할 수 있다.

전자 방사 물질층(11)의 두께의 측정은, 예를 들면 전자 방사 물질층(11)의 상방으로부터 금속 플레이트를 눌러, 기체(10)와 전자 방사 물질층(11)의 합계 두께를 측정하여, 그 값에서 기체(10)의 두께를 뺌으로써 측정할 수 있다. 금속 플레이트의 무게는 20[g] 정도가 적당하다.

마지막으로, 종래의 음극 구조체에서 관용의 방법에 따라, 탄산염에서 산화물로의 분해, 및 산화물의 일부를 환원하는 활성화를 행한다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하는데, 본 발명은 이하의 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

기체(상면이 원형)의 크기와, 그 위에 스프레이하는 전자 방사 물질층(마찬가지로 원형)의 면적 또는 두께를 여러 가지로 변경하면서, 도 1에 나타낸 형태의 음극을 제작했다.

음극으로는, 기체 표면적 A와 전자 방사 물질층 면적 B의 관계를 확인하기 위해, 층 형성용 면의 직경이 0.1, 0.2, 0.3[mm]의 3종류의 기체의 각각에 대해, 비율 B/A가 1.0, 0.88, 0.62, 0.24, 0.1이 되도록 형성한 5종류의 전자 방사 물질층을 갖는 음극을 준비했다. 기체의 두께는 100[㎛]로 일정, 전자 방사 물질층의 두께는 65[㎛]로 일정하게 했다.

또, 기체의 두께 C와 전자 방사 물질층의 두께 D의 관계를 확인하기 위해, 두께가 0.1, 0.15, 0.2[mm]의 3종류의 기체의 각각에 대해, 비율 D/C가 0.32, 0.65, 0.937이 되는 3종류의 전자 방사 물질층, 즉 전부 9종류의 음극을 준비했다.기체의 층 형성용 면의 직경은 0.2[mm]로 일정, 전자 방사 물질층의 직경은 1.6[mm]로 일정하게 했다.

다음으로, 이들 음극을 사용하여 17인치 모니터관용 전자총의 3극부를 조립하여, 이것을 진공관(진공도 10^-7[mmHg])에 봉지하고, 또한 배기하여 평가용 더미관으로 했다.

이렇게 제작한 더미관을 사용하여 수명 시험을 행했다. 수명 시험의 조건은 음극 온도를 820[℃], 음극 취출 전류를 DC300[㎂]으로 했다. 이 조건으로 행하는 시험은, 통상 동작 760[℃]에 대한 가속 수명 시험에 상당한다.

먼저, 기체 표면적 A와 전자 방사 물질층 면적 B의 비율 B/A가 전자 방사 특성에 미치는 영향을 조사했다. 여기서, 전자 방사 능력의 평가에는, 제로전계 포화전류밀도와, 음극 컷오프 전압을 사용했다. 이들 값에 대해서 이하에 설명한다.

도 3은 G1 전극에 인가하는 펄스 전압과 음극 전류(전자 방사)의 관계를 나타내고, 수명 시험중의 라이프 5000시간에서의 측정 결과를 일예로 나타낸다. 또한, G1 전극이란, 극부의 음극에 대향하는 전극이며, 이 경우는 음극으로부터 전자를 인출하기 위한 인출 전극이다.

도 3중의 곡선 a는 전극 G1에 정의 펄스 전압을 인가했을 때 흐르는 음극 전류를 측정하고, 인가 전압의 평방근에 대해 음극 전류의 대수를 플롯(쇼트키 플롯)하여 얻은 곡선이다. 인가 전압이 낮은 영역에서는, G1 전압의 증가와 함께 음극 전류가 급격히 증가하여, G1 전압이 충분히 높은 영역에서는 포화하여 직선이 된다. 이 직선 부분을 G1 전압 0까지 외삽하여 얻은 직선 b의 G1 전압 0에서의 전류값 J₀은 제로전계 포화 에미션이라 불리운다. 제로전계 포화 에미션은 전계의 영향을 제거한 음극 본래의 전자 방사 능력을 나타낸다. 이 제로전계 포화 에미션 J₀을 전자 방사 물질층의 표면적으로 나눈 값을, 제로전계 포화전류밀도라 정의한다. 제로전계 포화전류밀도가 높을수록, 음극은 양호한 전자 방사 능력을 갖는다.

또, 음극 컷오프 전압이란, 3극관 동작에 있어서, 음극에 전압을 가해 드라이브시켰을 때, 음극 전류가 0이 될 때의 G1 전압을 말한다.

가속 수명 시험 5000시간 경과 후에, 제로전계 포화전류밀도가 6.4[A/㎠] 이상, 음극 컷오프 전압이 초기값의 85[%] 이내의 값이면, 통상 동작에 있어서도 충분히 양호한 성능을 갖는다.

도 4에, 수명 시험중의 라이프 5000시간에서의 비율 B/A와 제로전계 포화전류밀도의 관계를 나타낸다.

도 4중의 곡선 a는 기본 직경이 0.1[mm], 곡선 b는 0.2[mm], 곡선 c는 0.3[mm]의 경우를 각각 나타낸다. 도 4로부터, 어느 기본 직경에 있어서도 비율 B/A가 0.24 이상 0.93 이하의 범위이면 실용상 충분한, 즉 6.4[A/㎠] 이상의 제로전계 포화전류밀도를 얻을 수 있다.

그 이유는 이하와 같이 설명할 수 있다.

도 5는 기체(10) 및 전자 방사 물질층(11)의 내부에서 발생하는 현상을 모식적으로 나타낸다. 히터(도시 생략)에 의해 기체(100가 가열되면, 기체(10)중의 환원성 원소(마그네슘, 실리콘 등)가 열에 의해 확산된다. 전자 방사 물질층(11)이 접촉하고 있는 부분의 환원성 원소(51a)는 전자 방사 물질층(11)중의 전자 방사 물질을 환원하기 위해 소비된다. 환원된 전자 방사 물질은 유리 자유 바륨이 되어, 방사 전자(52)를 발생시킨다. 전자 방사 물질층(11)이 접촉하고 있지 않은 부분에 존재하는 환원성 원소(51b)는 기체(10)중의 환원성 원소의 농도 구배(勾配)에 따라 확산하여, 전자 방사 물질층(11)의 접촉하고 있는 부분에 도달한다. 그리고, 전자 방사 물질층(11)을 환원하는 작용을 증가시킨다. 이 일련의 과정은 음극에서의 면적비율 B/A가 0.24부터 0.93의 수치범위 내에 있는 경우에 적절하게 진행된다고 생각된다.

또, 음극마다의 수명 시험 초기의 제로전계 포화전류밀도의 불균일은, 상기 수치 범위 밖에서는 σ=5.9인 것에 비해, 상기 수치 범위 내에서 σ=2.4로 약 1/2로 감소하는 것을 알았다. 이것은, 기체 상면의 면적 A에 대한 전자 방사 물질층의 접촉 면적 B의 비율이 너무 크면, 환원성 원소의 환원 반응에 불균일이 발생하여, 초기 제로전계 포화전류밀도의 불균일이 커지기 때문이다. 한편, 비율 B/A가 너무 작으면, 면적의 불균일이 현저하게 초기 제로전계 포화전류밀도에 반영되게 된다. 비율 B/A를 소정 범위 내로 하면, 전자 방사 물질층의 바륨의 수와 환원성 원소의 수가 균형잡힌 상태로 화학 반응이 진행됨으로써, 전자 방사의 불균일도 억제할 수 있다.

또한, 비율 B/A를 0.88 이하로 하면, 제로전계 포화전류밀도가 6.65[A/㎠]로더욱 개선된다. 또, 비율 B/A를 0.62 이하로 하면, 전자 방사 물질의 사용량을 대폭 삭감할 수 있으므로, 비용 저감의 관점에서 더욱 바람직하다.

비율 B/A를 0.35 이상으로 하면, 제조시에 설비 변경을 필요로 하지 않고, 또 에미터의 박리를 억제할 수 있어 품질이 보다 향상한다. 또, 비율 B/A를 0.40 이상으로 하면, 라이프 엔드 규정(컷오프 변동 -10%, 에미션 저하율 30%)에 이르기까지의 수명을 늘릴 수 있으므로, 특히 바람직하다.

다음으로, 기체의 두께 C와 전자 방사 물질층의 두께 D의 비율 D/C가 전자 방사 특성에 미치는 영향에 대해 조사했다.

도 6에, 수명 시험 5000시간 경과 후(라이프 5000시간)에서의 비율 D/C와 제로전계 포화전류밀도의 관계를 나타낸다.

도 6중의 곡선 a는 기체의 두께가 0.1[mm]인 경우, 곡선 b는 0.15[mm]인 경우, 곡선 c는 0.2[mm]인 경우를 각각 나타낸다. 도 6으로부터, D/C가 0.4 이상인 경우에, 라이프 5000시간에서 6.4[A/㎠] 이상의 제로전계 포화전류밀도가 얻어진다. 환원 반응이 쉽게 일어나는 것은 전자 방사 물질층의 바륨과 환원성 원소수의 비율에 비례한다. 따라서, 비율 D/C가 너무 작으면 환원 반응이 적어져 전자 방사가 감소한다.

도 7은, 마찬가지로 라이프 5000시간에서의 비율 D/C와 컷오프 전압 저하 비율의 관계를 나타낸다. 도 7중의 곡선 a는 기체의 두께가 0.1[mm]인 경우, 곡선 b는 0.15[mm]인 경우, 곡선 c는 0.2[mm]인 경우를 각각 나타낸다. 도 7로부터, 비율 D/C를 0.7 이하로 하면, 컷오프 전압이 -15[%] 이내, 즉 초기값의 85[%] 이상의 값을 확보할 수 있다.

발명자의 연구에 의하면, 전자 방사 물질층은 동작중의 환원 반응에 의해 그 두께에 비례하여 수축한다. 비율 D/C가 커지면 전자 방사 물질층의 두께가 상대적으로 커져 동작중의 수축이 증대하여, 컷오프 전압의 변동이 커진다. 그래서, 전자 방사 능력의 저하를 억제하기 위해서는, D/C가 소정 값 이하인 것이 바람직하다.

도 6 및 도 7에 나타낸 결과로부터, 비율 D/C는 0.4 이상 0.7 이하가 바람직한 것이 확인되었다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 여러 가지 크기의 기체에 대응하여 최적의 크기의 전자 방사 물질층을 부여할 수 있으며, 또한 음극마다의 제로전계 포화전류 밀도의 불균일이 작고, 컷오프 전압의 변동이 작고, 수명이 긴 음극 구조체를 제공할 수 있다. 또, 기체의 크기가 정해지면, 실용 동작에 필요한 전자 방사 물질층의 크 기를 용이하게 결정할 수 있으므로, 음극 구조체의 설계를 용이하고 신속하게 행할 수 있다. 이렇게, 본 발명은 음극선관의 기술 분야에 있어서, 산업상 이용가치가 큰 것이다.

Claims

환원성 원소를 포함하는 기체(基體) 상에 전자 방사 물질층이 형성된 음극선관용 음극 구조체에 있어서,

상기 기체의 층 형성용 면의 면적을 A, 상기 기체와 상기 전자 방사 물질층의 접촉 면적을 B로 했을 때, 0.24 ≤ B/A ≤ 0.93이며, 진공도를 10^-7mmHg, 음극 온도를 820℃, 음극 취출 전류를 DC 300㎂로 한 가속 수명 시험을 5000시간 실시한 후에, 제로전계 포화전류밀도가 6.4A/㎠ 이상인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극 구조체.
제 1 항에 있어서, B/A ≤ 0.88인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극 구조체.
제 1 항에 있어서, B/A ≥ 0.35인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극 구조체.
제 1 항에 있어서, 기체의 두께를 C, 전자 방사 물질층의 두께를 D로 했을 때, 0.4 ≤ D/C ≤ 0.7인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극 구조체.
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제 1 항에 있어서, 전자 방사 물질층을 형성하는 부분에 상당하는 개구부를 갖는 틀을 기체에 씌운 상태에서 도포액을 스프레이함으로써, 상기 기체 표면의 일부에 상기 전자 방사 물질을 형성한 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극 구조체.
제 1 항에 있어서, 가속 수명 시험을 5000시간 실시한 후에, 음극 컷오프 전압이 초기값의 85% 이상인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극 구조체.