KR20010037087A - 음극선관용 음극구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음극의 열전자방출층 표면에 티타늄(Ti)이나 산화티타늄(TiO₂) 피막층을 형성시키므로써 열전자방출 특성을 향상시켜 고전류밀도를 실현하는데 적합한 음극선관용 음극구조에 관한 것으로. 탄산바륨(BaCO₃)이 주성분인 알카리토류 금속탄산염 분말이 코팅되는 열전자 방출층을 구비하는 음극선관용 음극에 있어서, 열전자 방출층 표면에 티타늄(Ti)이나 산화티타늄(TiO₂)중 적어도 하나 이상 함유하는 물질이 증착된 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체로 구성된 기술이다.

Description

음극선관용 음극구조체{cathode for CRT}

본 발명은 음극선관용 음극구조에 관한 것으로, 특히 음극의 열전자 방출층 표면에 티타늄(Ti)이나 산화티타늄(TiO₂) 피막층을 형성시키므로써 열전자 방출 특성을 향상시켜 고전류밀도를 실현하는데 적합한 음극구조에 관한 것이다.

종래의 음극선관용 음극구조는 도 1에 도시한 바와 같이 , 텅스텐(W)이 주성분인 열저항선에 절연층이 코팅된 음극가열용 히터(4)가 원통형 슬리브(2)내에 삽입 설치되고, 슬리브(2)상단에는 니켈이 주성분이고 여기에 미량의 Mg,Si와 같은 환원제를 포함하는 기체금속(1)이 형성되고, 상기 기체금속(1) 상단에는 산화바륨 (BaO), 산화스트론튬(SrO). 산화칼슘(CaO)으로 조성된 열전자 방출층(3)이 형성되어 이루어진다.

상기 열전자 방출층(3)을 형성시킴에 있어서는 탄산바륨(BaCO₃),탄산스트론

듐 (SrCO₃), 탄산칼슘(CaCO₃) 등의 알카리토류금속 탄산염을 주성분으로 하여 장축이 약 8㎛이며 단축이 약 0.5㎛인 침상형(Acicular)형태의 미세분말을 스프레이 코팅법으로 코팅시키면 열전자 방출층은 약 1000℃의 고온에서 활성화(Activation)열처리에 의해 산화물(BaO, ScO, CaO)로 열분해되며, 에이징 열처리에 의해 800℃의 고온에서 전압을 인가하면 열전자 방출이 안정화된다. 그리고 기체금속 내의 환원제에 의해 산화물이 환원되어 열전자의 발생원 이 되는 자유바륨을 형성한다.

이 때 자유바륨으로부터 열전자가 발생하며 열전자는 열전자 방출층의 표면 일함수를 극복하여 진공속으로 방출된다.

(Ba,Sr,Ca)CO₃=(Ba,Sr,Ca)O+CO₂(g)----------- 활성화 과정

(Ba,Sr,Ca)O+Mg,Si=(Ba,Sr,Ca)+MgO,SiO₂-------에이징 과정

자유바륨(Free Ba)=1/2O₂(g)+V_O″+2e'--- 자유바륨에 의한 전자형성 과정

여기서 방출된 열전자는 열전자의 전류를 변조하는 기능을 하는 그리드 공경(Grid Aperture)을 통과하며, 이렇게 통과한 열전자는 다수의 전극에 의하여 제어되어 전자빔으로 접속된 후 형광체가 도포된 스크린에 도달하게 된다. 따라서 그리드 공경은 음극표면에서 전자빔을 제어하므로 스크린상의 해상도와 밀접한 관계가 있다. 종래의 음극선관용 음극은 음극표면의 직경이 약 1.57mm 이며, 최근 고해상도의 필요에 의해 그리드 공경이 약 0.37mm 이하로 급격히 감소하고 있는 추세에 따라 열전자가 방출되는 유효면적은 매우 감소하고 있다.

종래의 음극선관용 음극에서 그리드 공경의 면적은 음극표면의 전체면적에 비해 약 5.6% 수준이다. 이것은 음극 표면에서 열전자가 방출되는 유효면적이 음극표면의 전체 면적에 비해 매우 작다는 것을 의미하며 음극의 중앙에 열전자 방출에 대한 상당한 부담이 되고 있다. 따라서 그리드 공경의 감소에 따라 열전자 방출층이 낮은 일함수를 갖도록 개선하여 고전류밀도의 열전자 방출을 실현해야 한다.

현재 까지 알려져 있는 산화물의 열전자 방출 특성에 대한 연구 결과를 보면 산화바륨(BaO)보다 일함수가 낮은 물질은 없다. 따라서 산화바륨을 열전자 방출 물질로 채택하고 있는 산화물 음극은 낮은 온도에서 상당한 열전자 방출이 가능하다. 일반적으로 약 800℃의 고온에서 10,000 시간 가량 1A/cm²의 전류밀도를 유지하는데 열전자 특성에서 볼 때 온도가 올라갈 수록 열전자 방출이 증가할 것 같지만 실제로는 고온에서 바륨(Ba)증발에 의한 음극 표면의 손상이나 진공도 파괴 등의 문제로 인하여 열전자 방출이 사실상 감소하게 된다. 따라서 음극 표면의 개선을 통하여 이러한 문제를 해결할 수만 있다면 산화물 음극의 고전류 밀도가 실현될 수 있을 것으로 보인다. 그러나 아쉽게도 음극 표면을 개선할 수 있는 물질과 제조 방법의 연구가 미흡한 실정이다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 탄산바륨(BaCO₃), 탄산스트론튬 (SrCO₃), 탄산칼슘(CaCO₃) 등의 알카리토류금속 탄산염이 주성분인 분말로 코팅되는 열전자 방출층 표면에 고온에서 열적, 화학적으로 안정한 물질인 티타늄 또는 산화티타늄을 코팅하여 형성시킴으로써 고전류 밀도의 열전자 방출이 가능하도록 하는데 적합한 음극구조체를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 음극선관용 음극구조체의 단면도

도 2는 본 발명에 따른 음극구조체의 단면도

도 3은 음극의 전류밀도 대 점유율을 나타낸 그래프

도 4는 음극 전류밀도 분포를 나타낸 상태도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3 : 열전자 방출층 5 : 증착층

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄산바륨(BaCO₃)이 주성분인 알카리토류 금속 탄산염 분말이 코팅되는 열전자 방출층을 구비하는 음극선관용 음극에 있어서, 열전자 방출층 표면에 티타늄(Ti)이나 산화티타늄(TiO₂)을 적어도 하나 이상 함유하는 물질이 증착되어 이루어지는 음극선관용 음극구조체로 구성된다.

도 2는 본 발명에 대한 음극구조체를 나타낸 것으로 , 텅스텐(W)이 주성분인 열저항선에 절연층이 코팅된 음극가열용 히터(4)가 원통형 슬리브(2)내에 삽입 설치되고, 슬리브(2)상단에는 니켈(Ni)이 주성분이고 여기에 미량의 Mg,Si와 같은 환원제를 포함하는 기체금속(1)이 형성되고, 상기 기체금속(1) 상단에는 탄산바륨 (BaCO₃),탄산스트론튬 (SrCO₃), 탄산칼슘(CaCO₃) 등의 알카리토류금속 탄산염을 주성분으로 하는 분말이 스프레이(Spray) 코팅하여 열전자 방출층(3)을 형성시키고, 그 상면에 고온에서 열적으로나 화학적으로 안정한 물질인 티타늄 (Ti)이나 산화티타늄(TiO₂)을 스퍼터링 방법에 의해 증착한 증착층(5)을 형성한다.

스퍼터링 증착시 TiO₂의 증착에 따른 열전자 방출 특성에 상당한 영향을 주는 주요 인자는 증착층의 두께와 아르곤/산소 분압인 것으로 관찰되었다. 이러한 증착층이 어떠한 메카니즘으로 열전자 방출층을 향상시키는 지는 명확히 이해되고 있지 않으나, TiO₂두께에 따른 초기 활성화 전후의 표면 형상을 살펴보면 위에 증착된 TiO₂의 두께가 얇을 경우 초기 활성화 과정에서 표면이 상당히 소결되어 표면의 기공(Porosity)이 매우 발달되나 TiO₂의 두께가 두꺼워지면 초기 활성화 과정에서 표면에 소결이 거의 일어나지 않는 것으로 관찰된다. 이와 같은 실험적 결과를 볼 때 TiO₂가 얇을 경우는 표면 소결에 의해 전류밀도가 향상되는 것으로 보인다.

이와 같이 TiO₂증착시의 두께가 감소할 수록 열전자 방출 특성은 종래의 산화물 음극에 가까워지며 두께가 증가할 수록 최대 전류밀도가 증가하며 전체적인 열전자 방출이 불균일하게 변하다가 약 0.1㎛ 정도에서 열전자 전류밀도가 작아진다

그리고 TiO₂는 고진공의 1000℃ 이상의 고온에서 탄사염과 반응하여 티타네이트(Ti tanate)라는 고온에서 안정한 물질을 형성한다.

(Ba,Sr,Ca)CO₃+ TiO₂= BaTiO₃,CaTiO₃+ CO₂(g)---Titanate 형성과정

그런데 이 물질의 형성과정에서 녹는점(Melting Point)이 매우 낮은(1300℃ 이하)공융점(Eutectic Point)을 경유하게 되는데, 소결은 녹는점의 수 백도 이하에서도 일어나므로 TiO₂의 두께가 얇을 경우는 TiO₂물질 전체가 표면에서 티타네이트 (Titanate)를 형성하는 반면 TiO₂의 두께가 두꺼울 경우는 TiO₂와 탄산염 입자의 계면에서만 티타네이트를 형성하므로 표면의 상당한 소결은 일어나지 않는다. 또한 산화바륨(BaO)을 주성분으로 하는 열전자 방출층을 완전히 덮어버린 TiO₂는 일함수가 높아 일반적으로 음극에서 열전자가 방출되는 약 800℃의 온도에서는 열전자가 방출되지 않는다.

따라서 본 발명에서는 증착되는 TiO₂의 두께가 0.1㎛이상이 되면 초기 전기적 특성에서 열전자 방출이 거의 없게 되므로 TiO₂두께를 0.1㎛이내로 제어함이 바람직하다.

그리고 본 발명에서 TiO₂형성시는 스퍼터링의 플라스마 형성 기체로 아르곤/산소(Ar/O₂) 를 혼합하여 산소의 분압을 10% 이상으로 제어한다. 일반적으로 산화물의 스퍼터링 증착에서 아르곤 불활성 기체내에 산소가 함유될 경우가 산화물 상태로의 증착이 유리하며 산소 분압이 증가 할 수록 플라즈마 내의 산소 음이온이 증착층을 때려서 스퍼터시키는 Re-sputtering 현상이 일어나는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 Re-sputtering 현상으로 증착층의 두께를 더욱 얇게 제어할 수 있다. 상기와 같이 본 발명은 TiO₂형성시 산소 분압이 증가할 수록 최대 전류밀도는 약간 감소하나 전체적인 열전자 방출이 균일하게 된다. 따라서 본 발명에서는 최대 전류밀도와 열전자 방출의 균일성을 고려한 두께와 분압의 가장 바람직한 최적 조건을 약 500Å과 산소 분압 약 50%이다.

상기와 같은 방법으로 제작된 TiO₂의 증착층은 도 3과 같이 종래의 산화물 음극보다 고전류밀도 영역의 점유율이 높다. 또한 도 4와 같이 종래의 산화물 음극보다 조전류밀도 분포가 음극 중앙에 위치해 있다. 음극 중앙의 표면에서 최고 전류밀도를 비교해 보면 종래의 산화물 음극이 3.4A/cm²인 반면 본 발명의 TiO₂가 증착된 본 발명의 산화물 음극이 6.0∼7.0A/cm²으로 약 두배 이상이다. 또한 실제 동작 6시간 동안 최대 전류밀도의 양은 큰 변화가 없다.

이상에서와 같이 본발명은 TiO₂가 증착된 산화물 음극의 고전류밀도는 G1 공경의 감소에 따른 음극의 부담감을 충분히 덜 수 있다. 따라서 G1 공경을 감소시켜 고해상도의 CRT 개발이 가능하다.또한 본 발명에 사용하는 TiO₂는 쉽게 구할 수 있는 물질이며 비교적 증착이 잘 되는 물질이다. 따라서 이 물질을 통한 특성 향상은 제작 비용을 크게 증가시키지 않을 것이다.

이와 같은 TiO₂증착은 함침형 음극에도 적용할 수 있다. 함침형 음극의 응용에 있어서 현재 최대 어려움은 제작 비용이 매우 높다는 것이다. 산화티타늄(TiO₂)증착은 함침형 음극에서 현재 표면 개선을 위해 증착하고 있는 Ir 이나 Os-Ru 와 동일한 특성을 가질수 만 있다면 함침형 음극의 응용을 앞 당길 수 있다.

Claims (4)

1. 탄산바륨(BaCO₃)이 주성분인 알카리토류 금속탄산염 분말이 코팅되는 열전자 방출층을 구비하는 음극선관용 음극에 있어서, 열전자 방출층 표면에 티타늄(Ti)이나 산화티타늄(TiO₂)중 적어도 하나 이상 함유하는 물질이 증착된 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체
2. 제 1항에 있어서.

   티타늄 또는 산화티타늄의 두께가 0.1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체.
3. 제 1항에 있어서.

   열전자 방출층 표면에 증착되는 물질이 스퍼터링에 의해 형성됨을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서.

   티타늄 또는 산화티타늄 형성을 위한 스퍼터링시 플라스마 형성 기체로 아르곤/산소를 혼합하여 사용되고, 산소의 분압이 10% 이상인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체.