KR20010058995A - 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법 및 그 음극선관용음극 - Google Patents

음극선관용 음극의 표면적 향상 방법 및 그 음극선관용음극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법 및 그 음극선관용 음극을 제공한다. 그 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법은 바륨이 주성분이며 열전자를 방출하는 음극선관용 음극의 제조시, 그 음극의 열전자 방출층 면적을 증가시켜 전류밀도를 향상시키도록 교류 스퍼터를 사용하여 그 음극의 열전자 방출층의 최외각을 구성하는 입자들의 표면만을 선택적으로 스퍼터링 처리하는 공정을 수행함으로써, 종래의 음극선관용 음극의 입자 크기나 표면 거칠기의 거친 정도를 변화시키지 않으며, 열전자 방출층의 최외각을 구성하는 입자들의 표면만을 선택적으로 스퍼터시켜 표면적을 증가시킴에 따라 열전자 방출의 균일성과 표면의 소결 문제를 야기하지 않고 방출 표면적을 증가시켜 방출되는 열전자의 전류밀도(전류/면적)를 향상시킨다. 아울러, 본 발명은 산화물 음극 뿐만 아니라 열전자 방출층을 구비한 모든 음극의 표면적 개선에 적용이 가능하다.

Description

음극선관용 음극의 표면적 향상 방법 및 그 음극선관용 음극{Method for progressing surface area of cathode in cathode tube and the cathode}
본 발명은 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법 및 그 음극선관용 음극에 관한 것으로, 상세하게는 음극선관용 음극의 입자 크기나 표면 거칠기의 거친 정도를 변화시키지 않도록 하고, 음극선관용 음극의 표면적을 증가시켜 열전자방출특성을 향상시킴으로써 고전류밀도를 실현하는 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법 및 그 음극선관용 음극에 관한 것이다.
도 1은 종래의 음극선관의 구조를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 음극선관은 대체로 형광체가 도포된 패널(panel)(3)과, 패널 내측면에 결합되어 색선별 기능을 갖는 색선별자(shadow mask)(4)와, 깔대기 형상의 퍼넬(funnel)(1)과, 전자빔을 방출하는 전자총(100)과,전자총(100)이 삽입되어지는 네크관(5)과, 전자총(100)으로부터 방출된 전자빔을 편향시키는 편향 요크(Deflection Yoke)(6)로 구성되어 있다. 미설명 부호 2는 전압을 인가하는 스템핀을 나타낸다.
전자총(100)내에는 열전자를 방출하는 음극(Cathode)(110)이 내장되어 있으며, 그 음극(110)은 열과 음극에 인접한 다수의 G1, G2 그리드(Grid)(120)에 인가되는 전압에 의해 음극(110)으로부터 열전자가 방출된다.
종래의 음극선관용 음극은 열전자 방출특성을 이용한 산화물 음극이 주로 사용되고 있다.
도 2는 종래의 음극선관용 음극(110)의 상세도이다. 도 2를 참조하면, 산화물 음극(110)은, 열전자 방출층(Emission Layer)(111)과, 기체금속(Base Metal)(112)과, 히터(Heater)(113)와, 슬리브(Sleeve)(114)로 구성된다. 또한, 슬리브(114)는 대개 열 복사율이 높은 내벽과 열복사율이 낮은 외벽을 구비한다.
열전자 방출층(Emission Layer)(111)은 탄산바륨(BaCO3), 탄산스트론튬(SrCO3), 그리고 탄산칼슘(CaCO3)등의 알칼리토류(Alkaline-earth) 금속 탄산염(Carbonate)이 주성분이며, 장축이 약 8㎛이며 단축이 약 0.5㎛인 침상형(Acicular)형태의 미세분말(Powder)이 스프레이 코팅법으로 코팅되어 있다. 기체금속(Base Metal)(112)은 니켈(Ni)이 주성분으로 미량의 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)같은 환원제가 함유되어 있어 열전자 방출층(111)의 환원을 돕고 열전자 방출층(111)을 지지한다. 히터(113)는 텅스텐(W)이 주성분인 열저항선에알루미나(Al2O3)가 절연층으로 코팅되어 있으며 열을 발생시킨다. 슬리브(114)는 니크롬(Ni-Cr)이 주성분으로 기체 금속(112)을 지지하며 히터(113)로부터의 열을 기체금속(112)으로 전달한다.
알칼리토류 금속 탄산염 분말이 스프레이 코팅된 열전자 방출층(111)은 약 1000℃의 고온에서 활성화(Activation) 열처리에 의해 산화물로 열분해되며, 800℃의 고온에서 전압을 인가하는 에이징(Aging) 열처리에 의해 열전자 방출층(111)이 안정화 된다. 기체 금속(Base metal)(112)내의 환원제에 의해 산화물이 환원되어 열전자의 발생원(Source)인 자유바륨(Free Ba)을 형성한다.
(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
Free Ba = 1/2O2(g) + VO¨ + 2e´ ......................자유바륨 형성과정
여기에서, VO¨는 산소공공(Vacancy)을 의미한다. 자유 바륨의 형성으로 산소공공이 형성되며, 산소공공 하나에 대해 열전자 두 개가 발생한다. 이때 자유 바륨으로부터 열전자가 발생하여 열전자는 열전자 방출층(111)의 표면 일함수를 극복하여 진공속으로 방출된다.
여기서 방출된 열전자는 열전자의 전류를 변조하는 기능을 하는 그리드 공경(Grid Aperture)을 통과한다. 그리드 공경을 통과한 열전자는 다수의 전극에 의해 제어되어 전자빔으로 집속된 후 형광체가 도포된 스크린에 도달하게 된다. 따라서, 그리드 공경은 음극표면에서 전자빔을 제어하므로 스크린상의 해상도와 밀접한 관계가 있다.
종래의 음극선관용 음극은 음극 표면의 직경이 약 1.57 ㎜이며, 최근 고해상도의 필요에 의해 그리드 공경이 약 0.30 ㎜이하로 급격히 감소하고 있는 추세이다. 종래의 음극선관용 음극구조에서 그리드 공경에 따라 음극 표면의 열전자 방출 유효면적은 비례하는 경향이 있다.
그리드 공경의 감소에 따라 열전자가 방출되는 음극 표면의 유효면적은 매우 감소하고 있다. 종래의 음극선관용 음극에서 현재 그리드 공경의 면적은 음극 표면의 전체 면적에 비해 약 5.6 % 수준이다. 이것은 음극 표면에서 열전자가 방출되는 유효면적이 음극 물질의 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.
표면에서 방출되는 열전자는 방출 표면적이 넓을수록 방출되는 열전자의 전류밀도(전류/면적)가 증가하는데, 이러한 방출 표면적을 증가시키려면 일반적으로 입자의 크기를 감소시키거나 표면 거칠기를 거칠게 해야 한다. 그러나 입자의 크기를 감소시키거나 표면 거칠기를 더욱 거칠게 하면, 오히려 고온의 환경에서 음극의 입자들이 소결(Sintering)되거나, 열전자 방출의 균일성이 나빠지는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래의 음극선관용 음극의 입자 크기나 표면 거칠기의 거친 정도를 변화시키지 않도록 하고, 음극선관용 음극의 표면적을 증가시켜 열전자 방출 특성을 향상시킴으로써 고전류밀도를 실현하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법은 바륨이 주성분이며 열전자를 방출하는 음극선관용 음극의 제조시, 상기 음극의 열전자 방출층 면적을 증가시켜 전류밀도를 향상시키도록 상기 음극의 열전자 방출층의 최외각을 구성하는 입자들의 표면만을 선택적으로 스퍼터링 처리하는 공정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 그 스퍼터링 공정에서 교류 스퍼터(RF-Sputter)를 사용하도록 한다.
또한, 그 교류 스퍼터를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 때, 플라즈마를 형성하는 불활성 기체로서 아르곤(Ar)과 질소(N2)를 사용하는 것이 바람직하며, 불활성 기체의 플라즈마 형성 및 유지압력이 1mTorr - 80mTorr 사이인 것이 바람직하다.
또한, 그 교류 스퍼터에서 음극선관용 음극에 교류 전원을 인가할 때, 인가전압을 100W - 200W로 하는 것이 바람직하다.
도 1은 종래의 음극선관의 구조를 보여주는 개략도,
도 2는 종래의 음극선관용 음극의 상세 구성도,
도 3은 본 발명에 의한 교류 스퍼터 장치의 개략적인 구성 및 회로도,
도 4는 본 발명에 의한 음극 열전자 방출층의 최외각을 구성하는 입자들의 표면만을 선택적으로 스퍼터시켜 표면적을 증가시키는 원리를 보여주는 개략도,
도 5는 본 발명의 교류 스퍼터에 의해 표면적을 개선한 산화물 음극의 전류밀도 분포(점유율)를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 의한 음극선관용 음극의 최대전류밀도를 비교한 결과를 보여주는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 퍼넬(funnel) 2 : 스템핀
3 : 패널(panel) 4 : 색선별자(shadow mask)
5 : 넥크관 6 : 편향 요크
21 : 양극 22 : 진공챔버
23 : 플라즈마 24 : 불활성 기체의 양이온
25 : 음극 표면으로부터 떼어낸 물질 26 : RF교류전원
27,28,30 : 커패시터 29 : 인덕터
100 : 전자총 110 : 음극(Cathode)
111 : 열전자 방출층(Emission Layer) 112 : 기체금속(Base Metal)
113 : 히터(Heater) 114 : 슬리브
120 : 그리드(Grid)
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명하도록 한다.
우선, 본 발명의 일실시예에서는 열전자 방출층의 최외각을 구성하는 입자들의 표면만을 선택적으로 스퍼터시키기 위하여 교류 스퍼터(RF-sputter)를 이용하였다. 스퍼터는 높은 운동에너지를 지닌 입자를 고상이나 액상의 표면에 충돌, 운동량을 전달하여 목적하는 타겟(Target)의 표면에서 원자를 떼어내는 방법이다. 타겟 물질을 떼어내는 데에는 전압차에 의해서 가속화된 불활성 기체(Inert Gas)의 양이온을 이용한다. 따라서 스퍼터의 공정이 지속되기 위해서는 진공챔버 내에 이 양이온을 공급할 수 있는 플라즈마(Plasma)상태가 유지되어야 한다. 이러한 플라즈마 상태에서 지속적인 양이온과 전자의 생성과 소멸이 반복되어 스퍼터에 필요한 양이온을 공급하게 되는데 일반적으로 스퍼터에서는 압력과 온도가 낮은 글로우 방전 플라즈마가 이용된다. 타겟이 부도체인 경우에는 교류전원을 이용하여야 한다.
일반적으로 교류전원은 RF(13.MHz)를 사용한다. 교류전원을 이용하는 경우 전기장의 방향이 계속해서 바뀌게 된다. 이때에 질량이 가벼운 전자는 전기장의 변화에 대해서 빠르게 대응하지만 상대적으로 매우 큰 질량을 가지고 있는 이온은 교류전원의 진동수가 증가하면 전기장의 변화에 따라가지 못하기 때문에 이온과 전자의 운동에는 분리가 일어나게 된다. 따라서 타겟의 표면에는 전자의 농도가 상대적으로 증가하게 되고 이러한 전자로 인해서 타겟이 상대적인 음극이 된다.
이를 자극화(self-bias)라 하고 이것에 의해서 양이온들이 타겟 쪽으로 가속하게 된다. 이렇게 가속된 양이온은 타겟 표면에 충돌하여 운동량을 전달한다. 이와 같은 과정은 원자 대 원자로 일어나기 때문에 연속적인 과정에 의해 타겟표면은 연속적으로 침식되어 타겟의 최외각 표면적이 증가한다.
도 3에는 위와 같은 교류 스퍼터(RF-sputter)원리를 구현하기 위한 교류 스퍼터장치와 그 회로도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 진공챔버(22)내에양극(21)과 산화물 음극(110)이 마주보게 위치해 있고, 플라즈마(23)가 형성되어 불활성 기체의 양이온(24)이 산화물 음극 표면을 때려 음극 표면으로부터 물질(25)을 떼어낸다. 불활성 기체로서 아르곤(Ar)과 질소(N2)를 사용하며 RF 교류의 인가전압을 13.56㎒의 주파수의 100W - 200W로 한다. 여기서 플라즈마를 형성하기 위해 자극화가 일어나도록 해야 하는데 이에 필요한 매칭(Matching)회로가 구성되어야 한다. 이러한 매칭회로는 음극(22)과 RF교류전원(26)의 사이에 배치되며, 두 개의 콘덴서(C1,C2)(27,28)와 하나의 인덕터(L)(29)로 구성된다. 음극이 완전한 전극이 아니라 부도체이므로 이 효과를 고려하여 회로를 구성하도록 커패시터(C3)(30)를 구비하여 회로를 구성한다.
도 4에는 이러한 교류스퍼터에 의해 음극 열전자 방출층의 최외각을 구성하는 입자들의 표면만을 선택적으로 스퍼터시켜 표면적을 증가시키는 원리를 나타낸다. 아르곤(Ar)양이온(24)들이 타겟에 해당하는 음극 열전자 방출층의 최외각을 구성을 하는 입자들의 표면쪽으로 가속하게 된다. 이렇게 가속된 아르곤(Ar) 양이온(24)들은 음극 열전자 방출층의 최외각을 구성하는 입자들의 진공쪽의 표면에 충돌하여 운동량을 전달한다. 이와 같은 과정에서 원자 대 원자로 연속적으로 일어나 음극 열전자 방출층의 최외각을 구성하는 입자들의 진공쪽의 표면만이 선택적으로 침식되어 최외각 입자들의 표면적이 선택적으로 증가한다.
도 5에는 본 발명의 교류 스퍼터에 의해 표면적을 개선한 산화물 음극의 전류밀도 분포(점유율)를 나타낸 그래프이다. 본 발명 1 - 3은 각각 RF Power를 100W, 150W, 200W로 한 경우이다. 플라즈마 형성 및 유지 압력은 1mTorr - 80mTorr사이이다. 본 발명은 종래의 음극보다 높은 전류밀도 영역의 점유율이 높다.
도 6에는 최대전류밀도를 비교한 결과를 보여주는 그래프가 도시된다. 도시된 바와 같이 본 발명의 경우 150W가 가장 최대 전류밀도가 높다. 이 경우, 종래의 음극보다 약 160% 향상된 최대전류밀도를 나타낸다.
본 발명에 의하면, 종래의 음극선관용 음극의 입자 크기나 표면 거칠기의 거친 정도를 변화시키지 않으며, 열전자 방출층의 최외각을 구성하는 입자들의 표면만을 선택적으로 스퍼터시켜 표면적을 증가시키므로, 열전자 방출의 균일성과 표면의 소결문제를 야기하지 않고 방출 표면적을 증가시켜 방출되는 열전자의 전류밀도(전류/면적)를 향상시킨다.
본 발명은 산화물 음극뿐만 아니라 열전자 방출층을 구비한 모든 음극의 표면적 개선에 적용이 가능하다.

Claims (6)

  1. 바륨이 주성분이며 열전자를 방출하는 음극선관용 음극의 제조시, 상기 음극의 열전자 방출층 면적을 증가시켜 전류밀도를 향상시키도록 상기 음극의 열전자 방출층의 최외각을 구성하는 입자들의 표면만을 선택적으로 스퍼터링 처리하는 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스퍼터링 공정은,
    교류 스퍼터(RF-Sputter)를 사용하는 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 교류 스퍼터를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 때, 플라즈마를 형성하는 불활성 기체로서 아르곤(Ar)과 질소(N2)를 사용하는 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 교류 스퍼터를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 때, 불활성 기체의 플라즈마 형성 및 유지압력이 1mTorr - 80mTorr 사이인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 교류 스퍼터에서 음극선관용 음극에 교류 전원을 인가할 때, 인가전압을 100W - 200W로 하는 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법.
  6. 제 1 항의 음극선관용 음극의 표면적 향상 방법에 의해 제조된 음극선관용 음극.
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