KR19980020320A - 음극선관용 직열형 음극 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

그 표면에 금속 불순물이 확산된 확산층이 형성된 Mo-La 합금 필라멘트를 포함하는 음극선관용 직열형 음극 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따른 직열형 음극은 Mo-La 합금 필라멘트 재료의 모재 상에 금속 분순물 분말로 된 페이스트를 코팅하고 건조시킨 뒤 이를 열처리함으로써 상기 금속 불순물이 상기 모재 속으로 확산되어 제조된다. 상기 필라멘트는 비저항이 커서 통상적인 음극선관용 직열형 음극에 사용될 수 있다.

Description

음극선관용 직열형 음극 및 제조 방법

본 발명은 음극선관용 직열형 음극 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 불순물을 재료의 내부로 확산시킴으로써 전류에 대한 저항을 높인 몰리브덴(Mo)-란탄(La) 필라멘트를 구비한 직열형 음극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

열에너지에 의해 열전자를 방출하는 열음극에는, 전류를 공급받아 가열하는 필라멘트와 열전자 방출원이 이격되어 있는 간접 가열형 또는 방열형과, 필라멘트와 열전자 방출원이 접촉되어 있어 음극선관의 출화시간이 빠른 직열형이 있다.

일반적으로 방열형은 다량의 열전자가 요구되는 전자총에 사용되는 것으로서 그 구조는 예컨대 산화물 음극과 디스펜서 음극으로 구분된다. 한편, 직열형 음극에는 베이스 메탈 또는 저장매체 등이 있는데, 상기 베이스 메탈은 주로 캠코더의 뷰파이더용으로 사용되는 소형 음극선관의 전자총에 사용되며 그 표면에 산화물 음극이 도포되어 있고, 상기 저장매체는 큰 전류를 요구하는 대형 음극선관에 적용되는 디스펜서형 열전자 방출원으로서 예컨대, 전자 방출 물질(electron emission material)이 함침되어 있는 다공성 펠렛이 있다.

일반적인 직열형 음극의 구조가 도 1에 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 전자 방출 물질이 함침되어 있는 에미터 펠렛(emitter pellet, 11)의 측면에 상기 에미터 펠렛(11)이 전자를 방출할 수 있도록 일정 온도로 가열해주는 필라멘트(12)가 직접 접촉되어 고정되며, 상기 필라멘트(12)의 기부는 서포터(13)에 결합되어 있다. 상기 에미터 펠렛(11)과 필라멘트(12)의 접합은 펠렛의 한면에 브레이징(Brazing) 하여 그 브레이징면과 필라멘트가 저항용접 또는 레이저 용접되어 고정된다.

상기 구조를 가진 직열형 음극에 있어서, 실제로 전자를 방출하는데 소요되는 시간은 에미터 펠렛(11)의 열용량 및 상기 필라멘트(12)의 구조, 크기, 가열 온도 또는 재료의 저항 등에 의존한다.

상기 에미터 펠렛(11)을 지지함과 동시에 일정온도로 가열하는 히터로서의 역할을 하는 종래의 필라멘트(12)는 Mo-La 합금 또는 텅스텐(W)-레늄(Re) 합금으로 제조된다. 그 중에서 W-Re 합금으로 제조된 필라멘트는 전기 저항이 비교적 커서 음극선관의 회로 설계에 적용되기 용이하다. Re의 함량이 높을수록 전기저항과 가공성은 좋으나 재료가 고가이므로 제조 원가 부담이 크다.

반면에, Mo-La 합금은 가격상으로 유리한 면이 있으나, 재료의 전기 저항이 비교적 작아 원하는 가열온도를 달성하기 위해서는 고전류를 인가해야만 하므로 전류제어가 쉽지 않고 회로설계상에 어려움을 안고 있다. 특히, 소형의 직열형 음극의 온도는 미세한 전류의 변화에도 급격히 영향을 받기 때문에 생산 공정상의 적용에도 한계가 있다.

또한, 음극의 활성화를 위해 에이징(Aging) 공정을 함에 있어서 어느 정도의 온도 편차가 있는데 이때 미세한 전류변화가 나타나 전류변화에 의한 음극의 온도가 급격히 상승함으로써 열충격을 받을 수 있다. 만약 필라멘트의 저항이 서포터와 별 차이가 없는 경우에는 온도 상승을 위한 발열이 필라멘트가 아닌 다른 부위에서 일어날 수도 있다는 문제점을 지니고 있다.

따라서, 에미터 펠렛을 소정 온도로 가열하는 필라멘트는 어느 정도의 전기 저항을 가질 것이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 필라멘트 내로 불순물을 확산 침투시킴으로써 필라멘트 재료의 전기 저항을 높인 직열형 음극 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 일반적인 직열형 음극을 도시한 측면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 설명*

11...에미터 펠렛 12...필라멘트

13...서포터

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 직열형 음극은, 그 표면에 금속 불순물이 확산된 확산층이 형성된 Mo-La 합금 필라멘트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 직열형 음극 제조 방법은, Mo-La 합금 필라멘트 재료의 모재 상에 금속 분순물 분말로 된 페이스트를 코팅하는 단계; 상기 코팅된 모재를 건조시키는 단계; 상기 모재를 수소 분위기 또는 진공 분위기 하에서 열처리 함으로써 상기 금속 불순물을 상기 모재 속으로 확산시키는 단계; 및 상기 모재를 냉각시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, Mo-La 합금 필라멘트 재료의 모재를 금속 분말내에 묻은 후 열처리 함으로써 상기 금속 불순물을 상기 모재 속으로 확산시켜 상기 모재 표면에 확산층을 형성시키는 것을 포함하는 음극선관용 직열형 음극 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 금속 불순물 용액내에 Mo-La 합금 필라멘트 재료의 모재를 담근 후 꺼내어 건조시키는 단계; 상기 모재를 수소 분위기 또는 진공 분위기 하에서 열처리 함으로써 상기 금속 불순물을 상기 모재 속으로 확산시키는 단계; 및 상기 모재를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극선관용 직열형 음극 제조 방법이 제공된다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따르면, 전기 저항이 비교적 낮은 Mo-La 합금의 필라멘트(도 1의 12참조)는 금속 원소와 같은 불순물이 그 내부로 확산 침투됨으로써 그 저항이 높아진다. 상기 불순물들은 금속 원소이며, 바람직하게는 Si, Ti 이다.

상기 불순물들은 필라멘트 상에 코팅되거나, 불순물의 분말속에 상기 필라멘트를 묻거나, 또는 불순물 용액속에 필라멘트를 디핑(Dipping)시킨 후 열처리 함으로써 필라멘트 내부로 확산 침투된다. 이러한 확산 침투 과정을 차례로 설명하기로 한다.

일반적으로, 상기 필라멘트는 판재로 가공되어 그 형태에 따라 에칭 가공된 후 절단됨으로써 제조되는데, 본 발명에 따르면 상기 불순물들의 확산은 판재 상태의 재료에 대해 수행되거나 또는 에칭 가공후에 적용될 수 있으며 본 실시예에 의해 제한되지 않는다. 그러나, 에칭 가공후 개별적인 필라멘트에 대해 확산 공정을 수행하는 것보다는 판재에 대해 일률적으로 확산 공정을 수행하고 이를 처리하여 최종 필라멘트 형태를 제조하는 것이 바람직하다.

먼저, Si 분말을 분말 접착제인 바인더(Binder)와 섞어 페이스트(Paste) 상태로 만든다. 이때 혼합되는 Si 분말의 입도는 작을수록 좋다.

혼합된 Si 분말 페이스트는 필라멘트 재료인 판재 상에 코팅된다. 이때 코팅 두께는 Mo-La 합금 필라멘트의 기계적 성질을 손상시키지 않는 범위내에서 조절되어야 하는데, 10 - 200 ㎛ 정도인 것이 바람직하다. 만약 상기 코팅층이 너무 두꺼우면 후속적인 가공시 필라멘트를 구부리기 어려우며 가공 도중에 코팅층이 박리될 수도 있다. 반면에 상기 코팅층이 너무 얇으면 확산층의 형성이 미미하여 재료의 전기 저항의 변화가 크기 않다.

Si 분말 페이스트가 코팅된 판재는 드라이 오븐내에 투입되어 건조된다. 이어서, 건조된 판재에 대해서는 열처리가 행해지는데, 이러한 열처리는 수소 분위기 또는 진공 분위기 하에서 수행되며 1100 - 1400 ℃ 정도의 고온으로 가열된다. 이러한 고온 열처리는 통상 30 - 90 분간 계속 유지된다. 이러한 열처리 공정동안 상기 코팅층에 존재하는 Si 입자는 Mo-La 합금 필라멘트 재료의 모재속으로 확산 침투한다.

통상적으로, 상기 Mo-La 합금 필라멘트에 코팅된 Si 분말 페이스트에 섞여 있던 바인더는 약 200 ℃이상의 고온에서 증발되므로 상기 건조 과정 또는 열처리 공정에서 모두 제거될 수 있다.

열처리후 상기 Mo-La 합금 필라멘트는 로냉된다.

이상과 같은 공정에 의해 제조된 Mo-La 합금 필라멘트는 그 표면에 Si이 확산된 확산층을 가지는데 그 깊이는 2 - 10 ㎛인 것이 바람직하다. 이러한 확산층의 깊이는 상기 Si 분말 페이스트 코팅층의 두께, 바인더의 종류, 건조 및 열처리 조건 등에 의해 적절히 조절될 수 있다. 만약 확산층이 너무 깊은 경우에는 Mo-La 합금 필라멘트의 기계적 성질이 저하되어 가공에 어려움이 있을 수 있다.

상기 Si 코팅층은 페이스트에 의해 코팅되는 대신에 Si 타겟을 이용한 스퍼터링(Sputtering)에 의해 형성될 수도 있으며, 코팅층이 형성된 후에는 전술한 바와 동일한 공정을 거친다.

Si 분말에 의해 침탄을 시킬 경우에는, 미리 가공된 Si 분말에 Mo-La 합금 필라멘트 재료를 묻어 열처리한다. 이 방법은 비교적 간단하고 단순하다는 장점이 있다. 열처리 후 필라멘트 판재 표면의 잔여 Si분말을 제거한다.

Mo-La 합금 필라멘트에 Si 입자를 코팅하는 또 다른 방법은, Si과 유기용제를 일정 비율로 섞고 겔상태로 만든, 예컨대 Si(OH)₄와 같은 Si-용액내에 상기 Mo-La 합금 필라멘트 재료를 담근 후 꺼내는 것이다. 상기 용액에 담근 후 꺼내진 재료에 대해서는 전술한 바와 같은 동일한 건조 및 열처리 과정이 뒤따른다. 이 방법은 필라멘트 재료가 갤상태의 Si-용액에 의해 직접 코팅되므로 코팅층의 두께가 다소 두꺼워진다.

본 실시예에서는 Si 분말에 대해서만 설명되었으나 Ti 분말을 포함하는 금속 분말을 사용하는 경우에도 상기 공정은 동일하게 적용된다. 또한 Mo-La 합금 필라멘트 모재가 판재인 경우 뿐만 아니라 에칭가공된 상태라도 동일하게 적용될 수 있다.

실 험 예

본 발명에 따라서, 1 ㎛이하의 입도르 가진 Si 분말을 바인더와 혼합하여 페이스트 상태로 만들었다. 상기 바인더로는 아크릴 분말을 부틸카르비톨아세테이트(Butyl Carbitol Acetate)에 녹여 일정한 점도를 갖는 페이스트 상태로 제조되었다.

상기 Si 분말 페이스트를 Mo-La 합금 필라멘트 판재에 코팅하였으며, 이때 코팅은 통상적인 실크-스크린(Silk-Screen) 방법에 의해 수행되었다. 코팅된 Mo-La 합금 필라멘트 판재를 드라이 오븐에 넣어 약 100 ℃로 온도를 유지하면서 1시간 가량 건조시킨 후 로냉시켰다.

제조된 Mo-La 합금 필라멘트의 비저항과 열간 저항을 W-Re 합금 필라멘트 및 통상적인 Mo-La 합금 필라멘트와 비교하였으며 그 결과는 표 1과 같다.

	비 저 항(Ωm)	열간저항(Ωm)
본 발명에 따른 Mo-La합금 필라멘트	0.35-0.5	0.5-0.65
W-Re합금 필라멘트	0.5	0.75
통상적인Mo-La합금 필라멘트	0.26	0.30

본 실험예에 따르면, 본 발명에 따라 제조된 Mo-La 합금 필라멘트는 비저항과 열간 저항에 있어서 W-Re 합금 필라멘트와 비슷한 정도의 수치를 나타내었고, 불순물이 침투되지 않은 통상적인 Mo-La 합금 필라멘트 보다는 현저하게 향상된 저항치를 보여주고 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 직열형 음극은 Mo-La 합금 필라멘트에 불순물인 Si, Yi 등을 확산 침투시켜 필라멘트 자체의 전기 저항을 높임으로써, 고가인 W-Re합금 필라멘트 대신에 비교적 저가인 Mo-La 합금 필라멘트를 사용할 수 있으므로, 제조 원가를 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라, Mo-La 합금 필라멘트를 사용함에 따라 수반되는 전류 제어 및 회로 설계의 어려움을 제거할 수 있다.

Claims (11)

1. 그 표면에 금속 불순물이 확산된 확산층이 형성된 Mo-La 합금 필라멘트를 포함하는 음극선관용 직열형 음극.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 불순물은 Si 또는 Ti 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 음극선관용 직열형 음극.
3. 제2항에 있어서, 상기 확산층의 깊이는 2-10 ㎛인 것을 특징으로 하는 음극선관용 직열형 음극.
4. Mo-La 합금 필라멘트 재료의 모재 상에 금속 분순물 분말로 된 페이스트를 코팅하는 단계;

   상기 코팅된 모재를 건조시키는 단계;

   상기 모재를 수소 분위기 또는 진공 분위기 하에서 열처리 함으로써 상기 금속 불순물을 상기 모재 속으로 확산시키는 단계; 및

   상기 모재를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극선관용 직열형 음극 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 페이스트는 Si 또는 Ti 중 어느 하나인 금속 분말을 바인더제와 혼합시킨 것을 특징으로 하는 음극선관용 직열형 음극 제조 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 모재는 1100 - 1400 ℃ 정도의 고온에서 30 - 90 분간 열처리되는 것을 특징으로 하는 음극선관용 직열형 음극 제조 방법.
7. Mo-La 합금 필라멘트 재료의 모재를 금속 분말내에 묻은 후 열처리 함으로써 상기 금속 불순물을 상기 모재 속으로 확산시켜 상기 모재 표면에 확산층을 형성시키는 것을 포함하는 음극선관용 직열형 음극 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 금속 분말은 Si 또는 Ti 중 어느 하나인 것을 특징으로하는 음극선관용 직열형 음극 제조 방법.
9. 금속 불순물 용액내에 Mo-La 합금 필라멘트 재료의 모재를 담근 후 꺼내어 건조시키는 단계;

   상기 모재를 수소 분위기 또는 진공 분위기 하에서 열처리 함으로써 상기 금속 불순물을 상기 모재 속으로 확산시키는 단계; 및

   상기 모재를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극선관용 직열형 음극 제조 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 금속 불순물 용액은 Si-용액 또는 Ti-용액 중 어느 하나인 것을 특징으로하는 음극선관용 직열형 음극 제조 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 Si-용액은 Si(OH)₄인 것을 특징으로 하는 음극선관용 직열형 음극 제조 방법.