KR19990081672A - 칼라음극선관용 함침형 음극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 칼라음극선관용 함침형 음극에 대하여 저온 동작에서도 고전류 밀도가 가능하고 W의 일함수를 낮추고, Ba 증발을 억제하여 초기 에미션(emission) 특성 및 수명특성이 우수하고 높은 신뢰성을 갖게 하는 것에 관한 것이다.

이에 따른 구성은 펠렛 및 펠렛 상부에 피복층을 구비하는 함침형 음극에 있어서, W을 주재료로 하는 다공질 펠렛은 Nb, Ta, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au 중에서 1종 이상을 함유하고, 상기 펠렛의 공극에 BaO, CaO, Al₂O₃가 일정 몰비로 함침되는 전자방사물질은 Mg, Sr, Ra, Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, Ce, Th, B, Ga, In 중에서 1종 이상을 함유하고, 상기 펠렛의 상부에 피복되는 Ir, O, Ru 중에서 1종 이상을 주재료로 하는 피복층은 Sc, Y, La, Ac, Cr, Mo, Fe, Co, Rh, Ni, Pd, Pt 중에서 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 칼라음극선관용 함침형 음극으로 이루어진다.

Description

칼라음극선관용 함침형 음극

본 발명은 함침형 음극에 관한 것으로, 특히 저온동작에서도 고전류 밀도가 가능하며, 텅스텐의 일함수를 낮추고, 또한 Ba 증발을 억제하여 초기 에미션(emission)특성 및 수명특성이 우수하고 높은 신뢰성을 갖는 칼라음극선관용 함침형 음극에 관한 것이다.

위성 탑재용 진행파관, 클라이스토론, 촬상관, 브라운관등에서 고전류 밀도 동작과 장수명이 요구되는 고 신뢰성 전자관의 음극에는 함침형 음극이 최근 사용되어 왔다.

도 1은 일반적인 함침형 음극 구조도이고, 도 2는 도 1에 나타난 함침형 음극 확대면도로서 이에 도시한 바와 같이, 텅스텐(W)등과 같은 내열성 재질을 압축, 소결하여 다공성 펠렛(pellet)(2)을 만들고 이 펠렛의 공극에 BaO, CaO, Al₂O₃로 이루어진 전자방사물질(3)을 함침시켜서된 음극기체(1)를 만들고, 이 음극기체(1)를 내열금속인 음극컵(4)의 내부에 삽입시켜 측면을 레이져 용접한다.

그리고 음극컵(4)의 외측면에 원통형 음극슬리브(5)를 부착고정하고, 음극슬리브(5) 내부에는 음극가열용 히터(6)를 삽입한다.

이어서 상기 음극기체(1) 상부에는 Os, Os-Ru, Ir 등의 백금족 금속으로된 피복층(7)을 스퍼터링 법으로 피복시킨 함침형 음극을 일반적으로 M-type 이라고 불린다.

상기 피복층에 의해 음극표면의 일함수를 낮추어 열전자 전류 밀도를 높이는 것이 가능하며, 또한 동작온도를 50∼100℃b 낮추어 동작 시키는 것이 가능하다.

Os-Ru를 피복시킨 것은 시간이 경과함에 따라 코팅층이 합금화에 의해 서서히 변질되어 에미션 특성의 변동을 초래한다.

반면에 Ir을 피복시킨 것은 피복층을 합금화 처리하는 것에 의해 대단히 안정한 합금층이 형성되어 에미션이 장시간 동안 안정하게 된다.(일본특허공개 소47-21343호)

한편, 복합 다공질 금속 기체인 펠렛의 제조 공정은 다음과 같다.

3∼8㎛인 W, Mo, Ir, Ta 등의 분말을 충분히 혼합하여 적당한 압력으로 프레스 성형한후, 진공 혹은 수소 중에서 1700∼2000℃b 정도로 30분 ∼ 3시간 동안 소결하여 15∼30%의 기공율을 갖도록 한다.(대한민국 특허공고 No. 92-4898)

상기 구성에 따라 음극선관의 음극에서 승화된 증발 물질은 그리드 에미션, 전기누설, 2차 방사 등을 발생시키며, 튜브 특성을 변하게 할 수 있다.

Ba 디스펜서 음극의 만족할 만한 동작 온도에서 Ba 증발은 필연적이며, 활성 방사 표면을 유지하기 위해서 최소 증발율이 요구되어지는 것은 명백하다.

음극의 수명은 잠재적으로 유용한 Ba의 양에 제한되며, 이 음극이 사용되는 튜브의 수명은 동작 특성에 변화를 일으키는 증발 물질에 의해 짧아진다.

따라서, 함침형 음극의 Ba 증발율이 전체 성능이 평가되기 전에 결정되어야 한다.

함침형 음극의 기본적인 특징은 수명 초기의 증발율의 감쇠 현상이며, 이는 음극 표면에 남아 있는 함침재, 혹은 Ba의 빠른 생성율 때문으로 해석된다.

증발율은 수명의 함수로 급속히 떨어지며, 동작온도가 높으면 높을수록 감소율은 증가한다.

미국특허 4,417,173은 음극의 동작 온도를 낮출 수 있도록 개량된 것으로서 다공성 금속 기체의 열전자 방출면에 Os, Os 합금, Ir 등으로된 얇은 코팅층이 형성된 함침형 디스펜서 음극이 있는데, 동작 온도가 낮아진 반면에 수명이 짧은 문제가 있다.

산화물 음극의 활성화 공정에서 음극은 약 1000℃b 정도 까지 가열되며, 이 고온 가열시에는 음극으로부터 증발된 Ba는 주변의 부품에 비산 증착하여 stray emission의 원인이 된다.

그 중에서 음극에 근접한 G1, G2의 공경에 음극에서 증발한 Ba/BaO가 증착하며, G1, G2 등은 음극으로 부터의 복사열 혹은 전도열에 의한 가열로 고온이 되고, 이 열로 인해 증착 Ba/BaO로부터 미약하지만 그리드 에미션을 생기게 한다.

함침형 음극은 에이징 조건이 1200℃b 정도, 동작 온도도 1000℃b 정도로 높기 때문에 산화물 음극 보다 문제는 더 심각하다.

또한, 전자관 사용중에 음극으로부터 증발하는 Ba/BaO는 G1 공경에 증착해서 음극-G1의 간격을 좁히는 동시에 G1 공경을 작게 하며, 이 현상은 전자관의 수명 기간중 계속 된다.

그 결과 시간 경과에 따라 Cut-off 전압은 높게 되고, 빔 전류는 감소해서 휘도가 저하해 간다.

한편, 함침형 음극의 표면은 튜브 제작중의 봉지와 배기 동안에 열적 산화에 의한 전자 방사 표면의 열화를 받기 쉬우며 또한, 음극선관의 수명 기간중에도 튜브내의 잔류가스는 집속전극에 인가되는 10㎸ 전후의 고전압, 혹은 30㎸ 전후의 형광면 전압에 의해 이온화되기 때문에, 이온 충격에 의한 에미션 열화는 피할 수 없는 문제이다.

일반적으로, 함침형 음극이 적용되는 전자관은 짧은 에이징 시간이 요구되지만, 보통 장시간이 소요되어 대량 생산에 적합하지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 다공질 펠렛과 이 다공질 펠렛에 함침되는 함침재와 상기 표면에 피복되는 피복층의 재질을 적절히 함유시켜 저온 동작하에서도 고전류 밀도가 가능하며, 텅스텐의 일함수를 낮추고, Ba 증발을 억제하여 초기에 에미션 특성 및 수명특성이 우수하고 높은 신뢰성을 갖는 음극선관용 함침형 음극을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 함침형 음극 구조도

도 2는 도 1에서의 함침형 음극에 대한 확대면도

도 3은 본 발명에 따른 함침형 음극에 대한 확대면도

도 4는 음극온도에 따른 음극전류 변화를 나타낸 그래프

도 5는 시간대별 Ba 증발율을 나타낸 그래프

도 6은 음극온도별 포화전류 밀도를 나타낸 그래프

도 7은 수명특성을 나타낸 그래프

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

8 : 다공질 펠렛 9 : 함침재

10 : 피복층

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 펠렛 및 펠렛 상부에 피복층을 구비하는 함침형 음극에 있어서, W을 주재료로 하는 다공질 펠렛은 Nb, Ta, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au 중에서 1종 이상을 함유하고, 상기 펠렛의 공극에 BaO, CaO, Al₂O₃가 일정 몰비로 함침되는 전자방사물질인 함침재는 Mg, Sr, Ra, Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, Th, B, Ga, In 중에서 1종 이상을 함유하고, 상기 펠렛의 상부 피복되는 Ir, Os, Ru 중에서 1종 이상을 주재료로 하는 피복층은 Sc, Y, La, Ac, Cr, Mo, Fe, Co, Rh, Ni, Pd, Pt 중에서 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극으로 구성된다.

도 3은 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로, 다공질 펠렛(8)은 W을 주재료로 하며, 여기에 VA 족의 Nb, Ta, ⅤⅢ 족의 Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, 1B 족의 Cu, Ag, Au 중에서 선택한 적어도 1종 이상을 함유하며, 이때 함유량은 W 분말을 소결하여 형성된 펠렛이 총 중량에 대하여 5∼40 중량% 조성되는 복합 다공질 펠렛으로 된다.

상기 펠렛 공극에 함침되는 함침재(9)는 BaO:CaO: Al₂O₃가 5:3:2, 4:1:1, 3:1:1 중에서 선택한 몰비로 구성되는 전자방사물질에 ⅡA 족의 Mg, Sr, Ra, ⅢA 족의 Sc, Y, La, Ac, ⅣA 족의 Ti, Zr, Hf, Ce, Th, ⅢB 족의 B, Al, Ga, In 중에서 선택한 적어도 1종 이상을 함유하며, 이때 함유량은 상기 BaO, CaO, Al₂O₃인 전자방사물질의 총 중량에 대해 1∼20 중량%로 조성된다.

또한 피복층(10)은 Ir, Os, Ru를 주재료로 하는 성분에 ⅢA 족의 Sc, Y, La, Ac, ⅣA 족의 Cr, Mo, VⅢ A족의 Fe, Co, Rh, Ni, Pd, Pt 중에서 선택한 적어도 1종 이상의 합금을 함유하며, 이때의 함유량은 상기 Ir, Os, Ru의 총 중량에 대해 10∼50 중량%로 조성된다.

상기한 본 발명을 작용에 따라 상세히 설명한다.

다공질 펠렛의 주성분인 W과 결합하는 Nb, Ta, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au 성분들은 W의 일함수(4.5eV)를 낮추는 것으로서 일함수를 0.1∼0.5eV 까지 낮출 수 있으며, 이로 인해 저온 동작이 가능한 함침형 음극을 실현할 수 있다.

또한 고전류 밀도에서 장수명 특성을 실현하기 위해서 펠렛의 주성분인 W의 환원 작용외에 Ba 생성을 도와주는 다른 물질이 필요하게 된다.

이를 위해 BaO, CaO, Al₂O₃의 일정한 몰비로 펠렛의 공극에 함침시키는 전자방사물질에 Mg, Sr, Ra, Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, Ce, Th, B, Al, Ga, In을 일정량 포함시키면 Ba 생성을 촉진시키면서 Ba 증발을 억제해주는 역할을 충분히 할 수 있다.

또한 상기 조성된 펠렛 표면에 피복되는 Ir, Os, Ru 물질에 Sc, Y, La, Ac, Cr, Mo, Fe, Co, Rh, Ni, Pd, Pt를 함유시키면 추가적으로 일함수를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 음극표면에서 균일한 전자방사 특성을 얻을 수 있게 된다.

아래의 화학반응식은 펠렛 공극에 함침되는 전자방사물질에 일정량의 Mg, Sc가 함유되는 경우의 Ba 생성 반응을 보인다.

위의 반응에서 보듯이, 펠렛의 주성분인 텅스텐과 함침재의 환원 반응외에 Mg, Sc에 의해서 Ba이 생성되며, 생성된 Ba이 확산(diffusion) 과정에 의해 펠렛 표면으로 이동하여, 충분한 Ba이 계속적으로 공급될 수 있다.

도 4는 음극온도와 음극전류 특성에 대하여 본 발명의 함침형 음극을 종래의 함침형 음극과 비교한 그래프이다.

그래프에 보듯이 종래의 함침형 음극은 980℃b에서 동작하지만, 본 발명의 함침형 음극은 130℃b가 낮은 850℃b에서 동작할 수 있음을 보인다.

도 5는 수명 시간대별 Ba 증발율의 특성에 대하여 본 발명의 함침형 음극을 종래의 함침형 음극과 비교한 그래프이다.

그래프에서 보듯이, 본 발명의 Ba 증발율이 종래의 것보다 2배 이하로 감소되는 결과를 나타낸다.

도 6은 음극온도별 포화 전류 밀도에 대한 특성을 보인 그래프이다.

같은 온도에서 본 발명의 함침형 음극이 종래의 함침형 음극보다 더 높은 전류 밀도가 가능하다.

또한, 도 7에서 보듯이 본 발명의 함침형 음극은 펠렛에서 Ba를 꾸준하게 음극 표면으로 공급해 줄 수 있기 때문에 종래의 함침형 음극보다 장수명의 emission 특성을 가질 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 다공질 펠렛 조성과 이 펠렛 공극에 함침되는 함침재 조성과 상기 펠렛상부에 피복되는 피복층 조성을 적절히 선택하여 배합함으로써, 본 발명의 함침형 음극은 종래의 함침형 음극에 비해서 Ba/BaO 증발율을 2배 이상 저하시킬 수 있고, 낮은 동작 온도에서 종래 보다 더 우수한 전류 밀도 특성을 가지며, 장수명의 특성이 보장되는 함침형 음극이다.

따라서, 본 발명의 함침형 음극은 종래의 함침형 음극의 문제점인 높은 일함수, 고온 동작, Ba/BaO 과다 증발, 피독성 등의 문제를 해결하고, 캐소드 표면에서 균일한 전자방사 특성 및 고전류 밀도에서 수명 특성이 우수하고 신뢰성이 높은 CRT용 함침형 음극이기 때문에 고휘도 및 고해상도의 초대형 브라운관 및 HDTV에 적용할 수 있다.

Claims (5)

1. 펠렛 및 펠렛 상부에 피복층을 구비하는 함침형 음극에 있어서,

   W을 주재료로 하는 다공질 펠렛은 Nb, Ta, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au 중에서 1종 이상을 함유하고,

   상기 펠렛의 공극에 BaO, CaO, Al₂O₃가 일정 몰비로 함침되는 전자방사물질은 Mg, Sr, Ra, Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, Ce, Th, B, Ga, In 중에서 1종 이상을 함유하고,

   상기 펠렛의 상부에 피복되는 Ir, O, Ru 중에서 1종 이상을 주재료로 하는 피복층은 Sc, Y, La, Ac, Cr, Mo, Fe, Co, Rh, Ni, Pd, Pt 중에서 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 칼라음극선관용 함침형 음극.
2. 제 1 항에 있어서,

   다공질 펠렛에 함유되는 원소가 주성분인 W 분말에 대해 5∼40 중량% 임을 특징으로 하는 칼라음극선관용 함침형 음극.
3. 제 1 항에 있어서,

   다공질 펠렛의 공극에 함침되는 전자방사물질이 함유하는 원소가 BaO, CaO, Al₂O₃의 총 중량에 대해 1∼20 중량% 임을 특징으로 하는 칼라음극선관용 함침형 음극.
4. 제 1 항에 있어서,

   함유되는 원소가 Ir, Os, Ru 총 중량에 대해 10∼50 중량% 임을 특징으로 하는 칼라음극선관용 함침형 음극.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   다공질 펠렛의 공극에 함침되는 BaO:CaO:Al₂O₃몰비가 5:3:2, 4:1:1, 3:1:1 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 칼라음극선관용 함침형 음극.