KR20000038644A - 전자총용 음극 - Google Patents

Abstract

목적 : 음극선관 전자총용 음극에 관한 것으로서, 특히 베이스 메탈에 함유된 환원성 원소의 후발 확산 경로를 확보하고, 중간층을 분산하여 유리 바륨기의 생성을 원활히 하여 고전류 밀도에서 장수명을 실현할수 있는 전자총용 음극

구성 : 니켈을 주성분으로 하고 적어도 일종의 환원성 원소가 함유된 베이스 메탈(60)을 형성하고, 그 상부 표면을 파우더 분사, Ni 전이 또는 표면 연마하고 다시 열처리하여 미립의 어퍼 메탈층(62)으로 형성하고, 그 어퍼 메탈층의 상부에 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물을 함유하여서 된 전자방출물질층(80)을 형성함을 특징으로 한다. 여기서 전자방출물질층은 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물에, 란타늄 화합물과 마그네슘 화합물을 동시에 또는 란타늄-마그네슘 복합화합물을 포함할 수 있다.

효과 : 베이스 메탈의 평균 입자 보다 작은 입자로 미립화 된 어퍼 메탈층은 고저항층인 중간층을 분산시키고 그 축적을 억제하고, 환원성 원소의 확산 경로를 확보하여 환원성 원소를 필요로 하는 유리 바륨기의 생성 반응을 지속적으로 유지하므로 2~3 A/㎠의 고전류 밀도에서 장수명을 실현하고, 컷오프 드리프트율을 감소시킬 수 있다.

Description

전자총용 음극

본 발명은 음극선관에 사용되는 전자총용 음극에 관한 것으로서, 특히 유리바륨기의 생성에 기여하는 환원성 원소의 확산 경로를 확보하고, 또한 유리 바륨기의 손실을 방지하므로, 고전류 밀도 부하에서 장수명을 실현할 수 있도록 한 전자총용 음극에 관한 것이다.

음극선관은 전자총에서 방출된 전자를 고전압으로 가속하여 스크린의 형광체에 랜딩하고, 그 형광체의 여기 발광에 의해 화상을 구현하는 표시장치이다.

이러한 음극선관에 사용되어 전자를 방출하는 전자총용 음극의 일반적인 구조를 도 5에 나타내었다. 도면에서 슬리이브(2)의 내부에는 히터(4)가 설치되어 있고, 그 슬리이브(2)의 상부에는 니켈(Ni)을 주성분으로 하고 실리콘(Si) 및 마그네슘(Mg)과 같은 환원성 원소를 미량 함유하여서 된 캡상의 베이스 메탈(60)이 설치되어 있고, 그 위에는 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 전자방출물질층(8)이 형성되어 있다.

이와 같이 구성된 산화물 음극은 히터에서 발생된 열을 에너지원으로 하여 금속 산화물과 환원성 원소가 반응하고, 여기서 생성된 유리 바륨기를 이용하여 열전자가 방출되는 것이다. 상기한 전자총용 음극에서 전자 방출 능력은 금속 산화물에 존재하는 유리 바륨기의 공급량에 의해 결정된다.

그러나 최근들어 음극선관은 고정세화 및 대형화되는 추세에 있으며, 이에 따라 고전류 밀도에서 장기간 동안 유리 바륨기를 공급할 수 있는 음극의 개발이 필요하게 되었다.

이에 따라, 본 출원인에 의해 선출원된 것으로서 대한민국 공개특허공보 제 96-15634호에서는 알카리토류 금속 산화물이 함유된 전자방출물질층에 란타늄(La) 화합물과 마그네슘(Mg) 화합물이 동시에 또는 La-Mg 복합화합물이 더 포함하여, 유리 바륨기의 증발 소모를 억제한 음극이 개시되어 있다.

그러나 상기한 종래의 음극은 도 8에 자세하게 도시한 바와 같이 베이스 메탈(60)과 전자방출물질층(8)의 계면에 반응 생성물인 중간층(10)이 생성되므로, 2∼3 A/㎠의 고전류 밀도 부하에서 수명 단축을 초래하게 된다.

중간층(10)은 전자방출에 기여하는 유리 바륨기를 생성하기 위하여 필요한 반응, 즉 금속 산화물인 탄산바륨에서 열분해된 산화바륨과 환원제인 실리콘 및 마그네슘의 반응에 의해 생성되는 것이다.

BaO+Mg → MgO+Ba↑

4BaO+Si → Ba₂SiO₄+2Ba↑

반응식 1과 반응식 2 에 의하여 생성된 유리 바륨기는 전자방출에 기여하지만, 그에 따라 MgO 나 Ba₂SiO₄ 와 같은 반응물이 역시 생성되어 베이스 메탈(60)과 전자방출물질층(8)의 경계에 중간층(10)을 형성하게 된다.

이와 같이 형성된 중간층(10)은 장벽으로 되어, 베이스 메탈(60)에 함유된 환원제의 후발 확산을 방해하여, 환원제를 필요로 하는 유리 바륨기의 생성 반응을 곤란하게 하여 음극의 수명을 단축시키게 된다. 또한, 상기한 중간층(10)은 고저항을 가지는 것이므로 전자방출전류의 흐름을 방해하여 방출가능 전류밀도를 제한하고, 컷오프 드리프트를 발생시키는 문제점도 수반하게 된다.

한편으로 일본 공개특허공보 평 3-257735호에는 베이스 메탈과 전자방출물질층의 사이에, 실리콘이나 마그네슘과 동일하거나 낮은 환원성을 갖는 또한 니켈 보다 큰 환원성을 갖는 텅스텐을 주성분으로 하는 금속층을 형성하고, 상기 전자방출물질층에 희토류금속 산화물을 포함시켜, 그 희토류금속 산화물에 의해 반응 생성물을 분해하고, 상기 금속층의 환원성 원소가 유리 바륨기의 생성에 기여토록 한 전자관용 음극이 개시되어 있다.

그러나 상기한 음극은 유리 바륨기의 생성과 동시에 부가적인 반응 생성물을 더 만들어, 사용 초기에는 안정된 특성을 보이다가 시간이 경과할수록 수명이 급격히 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 기술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 베이스 메탈에 함유된 환원제의 후발 확산 경로를 확보하고 중간층의 형성을 분산하므로써 유리 바륨기의 생성을 원활하게 달성하여 고전류 밀도 부하에서 장수명을 실현할 수 있는 전자총용 음극에 그 목적을 두고 있다.

이에 따라 본 발명에서는 니켈을 주성분으로 하고 적어도 일종의 환원성 원소가 함유된 베이스 메탈을 형성하고, 그 상부 표면을 미립화처리 및 열처리하여 어퍼 메탈층을 형성하고, 그 어퍼 메탈층의 상부에 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물을 함유하여서 된 전자방출물질층을 형성한 전자총용 음극을 제공한다.

여기서 본 발명의 특징인 어퍼 메탈층은 베이스 메탈의 상부 표면에, 전자방출물질층을 구성하는 물질인 금속 산화물의 파우더를 가속 충돌시키거나, Ni원자를 전이시키거나, 또는 그 표면을 연마한 다음, 수소 분위기에서 열처리하므로 얻어지는 것으로서, 베이스 메탈의 평균 입자 보다 작은 크기의 미립으로 형성된다.

또한, 본 발명은 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물에, 란타늄 화합물과 마그네슘 화합물이 동시에 또는 란타늄-마그네슘 복합화합물이 포함된 전자방출물질층을 포함할 수 있다.

이와 같은 구성에 의거하여, 본 발명에서는 베이스 메탈의 평균 입자 보다 작은 미립으로 된 어퍼 메탈층이 반응 생성물인 중간층을 효과적으로 분산시키고, 환원성 원소의 후발 확산 경로를 확보하므로써, 고저항층인 중간층의 생성을 방지하고 환원성 원소를 필요로 하는 유리 바륨기의 생성 반응을 지속적으로 유지하므로 2~3 A/㎠의 고전류 밀도 부하에서 장수명을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 전자총용 음극을 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 요부를 확대 도시한 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 수명 특성을 보인 도면.

도 4는 본 발명에 의한 컷오프 드리프트를 보인 도면.

도 5는 종래 공지된 전자총용 음극을 도시한 단면도.

도 6은 종래 공지된 음극을 확대 도시한 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10-중간층 60-베이스 메탈

62-어퍼 메탈층 80-전자방출물질층

이하, 본 발명을 실현하기 위한 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 설명한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어 종래 기술에서 설명된 구성과 동일한 부분에 대해서는 설명의 명료성을 위해 동일 부호를 사용하기로 한다.

실시예 1

도 1에서 본 발명의 일 실시예의 전자총용 음극은, 내부에 히터(4)가 설치된 슬리브(2)의 상측 개구에 설치되는 것으로, Ni을 주성분으로 하며 Si, Mg과 같은 환원성 원소를 미량 함유하여서 된 캡상의 베이스 메탈(60)을 포함한다. 또한 그 상부에는 적어도 Ba을 포함한 알카리토류 금속 산화물인 (Ba·Sr·Ca)CO₃의 삼원 탄산염 또는 (Ba·Sr)CO₃의 이원 탄산염으로 된 전자방출물질층(80) 이 형성되어 있다.

여기서 본 실시예의 전자총용 음극은, 유리 Ba기의 생성시 베이스 메탈(60)과 전자방출물질층(80)의 경계면에 축적되는 BaO와 Si 및 Mg의 반응 생성물을 분산시키고, 베이스 메탈(60)에 함유된 환원성 원소의 후발 확산을 위한 경로를 확보하는 방안으로, 베이스 메탈(60)의 상부 표면에 미립자로 된 어퍼 메탈층(62)을 형성하고 있다.

이러한 어퍼 메탈층(62)은 도 2에 확대 도시한 바와 같이, 베이스 메탈(60)의 평균 입자 보다 작은 입자 크기를 갖도록 그 표면 쪽에 형성되어 베이스 메탈(60)에 함유된 환원성 원소의 확산 경로 자체가 분산되게 하는 것이며, 그로 인해 BaO와 Si 및 Mg의 반응이 미립자 속의 여러 곳에서 일어나게 되고, 그 반응 생성물의 중간층(10)이 분산되어 축적이 억제되므로, 환원성 원소인 Si, Mg의 확산이 원활히 이루어져 유리 Ba기의 생성에 기여하는 것이다.

이를 위하여 본 실시예의 특징인 어퍼 메탈층(62)은 베이스 메탈(60)의 상부 표면을 잔류 응력이 잔존하는 상태(mechanical damage 상태)로 처리한 후에, 이것을 열처리하여 재결정화가 이루어지도록 함으로써, 잔류 응력에 의한 원자 결합 부위에서 환원제가 석출되게 하고, 잔류 응력이 존재하는 표면 부위의 입자가 베이스 메탈(60)의 내부 입자에 비해 입성장하지 못하도록 하여 미립의 구조로 된 표면층을 형성하게 되는 것이다.

보다 구체적인 방법으로, 상기 어퍼 메탈층(62)은 베이스 메탈(60)의 상부 표면에 전자방출물질층(80)을 구성하는 금속 산화물인 삼원 탄산염 및 이원 탄산염의 파우더를 가속하여 충돌시켜 그 표면에 잔류 응력이 생성되게 하고, 이것을 수소 분위기에서 700∼1,100 ℃ 범위로 열처리하여 재결정에 의한 미립자가 형성되게 한다.

또한, 어퍼 메탈층(62)은 베이스 메탈(60)의 표면층의 주성분인 Ni 원자를 전이하는 방법으로, 또는 베이스 메탈(60)의 상부 표면을 연마하는 방법으로 잔류 응력 및 결함이 생성되게 할 수도 있다.

이 경우에 베이스 메탈(60)의 표면층 즉, 어퍼 메탈층(62)의 열처리 방법은 서로 다른 온도에서 2 단계로 홀딩되게 하는 것이며, 1 단계의 온도를 2 단계의 온도에 비해 낮게 하므로 미립화 효과를 더욱 높일 수 있다.

이렇게 형성된 어퍼 메탈층(62)의 상부에는 통상의 스프레이법에 의해 삼원 탄산염 또는 이원 탄산염을 20∼80 ㎛의 두께로 형성하며, 본 실시예의 음극은 전체 두께가 200 ㎛을 넘지 않도록 형성된다.

실시예 2

본 실시예에서는 실시예 1의 전자총용 음극에 본 출원인에 의해 선출원된 전자방출물질층을 적용하는 방안을 제시하고 있으며, 그 구성을 도 1에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

도면에서와 같이 본 실시예의 전자총용 음극은 내부에 히터(4)가 설치된 슬리브(2)의 상측 개구에 설치되는 것으로, Ni을 주성분으로 하며 Si, Mg과 같은 환원성 원소를 미량 함유하여서 된 캡상의 베이스 메탈(60)과, 그 표면층을 구성하는 어퍼 메탈층(62)을 포함한다. 또한 그 상부에는 적어도 Ba을 포함한 알카리토류 금속 산화물인 (Ba·Sr·Ca)CO₃의 삼원 탄산염 또는 (Ba·Sr)CO₃의 이원 탄산염에 La 화합물과 Mg 화합물이 동시에 또는 La-Mg 복합화합물을 포함하는 전자방출물질층(80)을 형성한 구성으로 이루어진다.

여기서 La 화합물과 Mg 화합물 또는 La-Mg 복합화합물은 유리 Ba기의 증발을 억제하여 지속적인 공급이 이루어지도록 하는 것으로 탄산염 중량의 0.01∼1 중량%가 가장 바람직하다. 그 함유량이 0.01 중량% 이하이면 구동시 유리 Ba기의 증발 억제 효과가 미미하고, 1 중량% 이상이면 초기 구동시 전자방출 특성이 저하될 수 있다.

따라서 본 실시예에 의하면 어퍼 메탈층(62)에 의한 중간층(10)의 효과적인 분산 작용과 더불어, BaO와 Si 및 Mg의 반응에 의해 생성된 유리 Ba기의 증발이 전자방출물질층(80)에 의해 억제되는 것이며, 그에 따라 금속 산화물의 소결이 방지되는 것이다.

이상에서 설명된 본 실시예 1 및 실시예 2에 의한 전자총용 음극을 음극선관에 조립하고, 그 수명 특성을 검사한 결과를 도 3에 표시하였다.

도면에서, 그래프 A는 어퍼 메탈층(62)과 탄산염에 La-Mg 화합물이 0.5 중량% 포함된 전자방출물질층(80)이 형성된 실시예 2의 음극이고, 그래프 B는 어퍼 메탈층(62)과 탄산염으로 된 전자방출물질층(80)이 형성된 실시예 1의 음극이다. 또한 그래프 C는 탄산염으로 된 전자방출물질층(80)만을 사용한 종래의 산화물 음극이다.

수명 검사는 10,000 시간 동안 계속적으로 구동되는 상태에서 전자방출 전류의 감소량을 측정한 것으로, 음극당 2,000∼3,000 ㎂의 전류로 실시한 것이다.

수명 검사 결과, 본 발명에 의한 실시예 1 및 실시예 2의 음극은 종래 기술 의 산화물 음극(그래프 C)에 비해 고전류에서 수명 특성이 월등하게 개선됨을 알 수 있었다. 구체적으로 본 발명은 고전류 밀도 구동하에서 10,000 시간 경과후에도 초기 전류값의 80∼85 %가 유지됨을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 전자총용 음극의 컷오프 드리프트 특성을 나타내고 있다. 여기서 그래프 D는 어퍼 메탈층(62)과 탄산염에 La-Mg 화합물이 0.5 중량% 포함된 전자방출물질층(80)이 형성된 실시예 2의 음극이고, 그래프 E는 어퍼 메탈층(62)과 탄산염으로 된 전자방출물질층(80)이 형성된 실시예 1의 음극이며, 그래프 C는 탄산염으로 된 전자방출물질층(80)만을 사용한 종래의 산화물 음극이다.

특성 검사는 10,000 시간 동안 계속적으로 구동되는 상태에서 컷오프 드리프트의 변화량을 측정하였다. 그 결과, 본 발명의 전자총용 음극은 종래의 산화물 음극(그래프 C)에 비해 변화량이 20∼25%가 감소됨을 알 수 있다.

이상에서 설명된 실시예를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 전자총용 음극은 종래 기술의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 본 발명은 환원성 원소를 함유하는 베이스 메탈과 탄산염으로 된 전자방출물질층의 사이에 미립자로 된 어퍼 메탈층을 형성함으로써, 유리 Ba기의 생성시 발생되는 반응 생성물을 분산시키고 환원성 원소의 후발 확산 경로를 확보하여 유리 Ba기의 방출을 지속적으로 실현할 수 있다.

또한, 본 발명은 전자방출물질층에 La 화합물과 Mg 화합물이 동시에 또는 La-Mg 복합화합물을 더 포함하여 형성하므로, 유리 Ba기의 증발 소모를 억제할 수 있다.

따라서 본 발명에 의하면 어퍼 메탈층 및 전자방출물질층의 상호 작용에 의해 유리 Ba기가 지속적으로 방출되고 증발 소모가 억제되므로, 2∼3 A/㎠의 고전류 밀도 부하에서도 수명 특성이 향상되고 컷오프 드리프트율이 감소되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 전자총용 음극은 고전류 밀도에서 장수명을 유지할 뿐만아니라, 제조 방법이 어렵고 가격이 고가인 함침형 음극을 대체하는 실용성도 얻을 수 있다.

Claims (6)

1. 니켈과 적어도 일종의 환원성 원소가 함유된 베이스 메탈과, 그 베이스 메탈의 상부 표면을 재결정화 처리하여 미립자로 형성되게 한 어퍼 메탈층과, 그 상부에 형성되고, 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속 산화물을 함유하는 전자방출물질층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
2. 제 1 항에 있어서, 전기 어퍼 메탈층은 베이스 메탈의 상부 표면에 전자방출물질층을 구성하는 금속 산화물의 파우더를 가속 충돌시키고, 수소 분위기에서 700∼1,100 ℃ 범위로 열처리하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
3. 제 1 항에 있어서, 전기 어퍼 메탈층은 베이스 메탈의 상부 표면의 Ni 기를 전이하고, 수소 분위기에서 700∼1,100 ℃ 범위로 열처리하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
4. 제 1 항에 있어서, 어퍼 메탈층은 베이스 메탈의 상부 표면을 연마한 후, 수소 분위기에서 700∼1,100 ℃ 범위로 열처리하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
5. 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 전기 열처리는 서로 다른 온도에서 2번 실시하는 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.
6. 제 1 항에 있어서, 전자방출물질층은 란타늄 화합물과 마그네슘 화합물이 동시에 또는 란타늄-마그네슘 복합화합물이 더 포함된 것을 특징으로 하는 전자총용 음극.