KR20010077443A

KR20010077443A - 음극선관용 음극구조체

Info

Publication number: KR20010077443A
Application number: KR1020000005237A
Authority: KR
Inventors: 이재선
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2001-08-20

Abstract

본 발명에 따른 음극선관용 음극 구조체는, 전자를 방사하는 전자방사 물질층과, 전자방사 물질층 하면에서 전자방사 물질과 반응하는 기체금속과, 그 기체금속에 열을 공급하는 히터 및 상기 기체금속을 지지하는 슬리브를 구비하는 음극선관용 음극구조체에 있어서, 상기 전자방사 물질층은 상기 기체금속 상면에 이층구조로 형성되는 것으로서, 산화바륨(BaO) : 산화칼슘(CaO) : 산화알루미늄(Al₂O₃)이적정의 몰비로 혼합되어 있는 제 1 전자방사 물질층과, 상기 제 1 전자방사 물질층의 상면에 적어도 바륨(Ba)을 포함하며, 그 외 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)등의 알칼리토류 금속탄산염과 악티늄족 금속화합물이 미량 함유된 것으로 구성된 제 2 전자방사 물질층이 구비된 이중 층의 전자방사 물질층으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 기체금속과 탄산염이 직접 접촉하지 않아 탄산가스가 기체금속의 주성분인 니켈을 산화 시키지 못하므로, 기체금속내에 함유된 환원제의 전자방사 물질층으로의 확산이 용이하여 전자방사원인 자유바륨을 원활히 생성하고, 제 1 전자방사 물질층의 구성성분인 산화알루미늄이 환원제 역할 및 중간층을 이루는 산화물 생성을 억제하여, 고 전류밀도에서 장시간 안정되게 전자를 방사할 수 있는 효과가 있다.

Description

음극선관용 음극구조체 {Cathode structure for a cathode ray tube}

본 발명은 음극선관용 음극구조체에 관한 것으로서, 특히 전자방사 효율을 높히고, 고 전류 밀도 상태에서도 장시간 안정된 전자방사 특성을 유지할 수 있는 음극선관용 음극구조체에 관한 것이다.

음극선관(Cathode ray tube)은 진공상태하의 음극(Cathode)에서 방출된 음극선(전자빔)을 주위의 자기장을 변화시켜 편향을 조절함으로써 원하는 표시를 할 수 있는 표시소자의 하나이다. 이와 같은 음극선관의 네크(neck)부에는 전자빔의 형성, 가속, 집속 및 전자빔의 세기를 제어하는 전자총이 설치되어 있고, 그 전자총 내에 전자를 발생하는 음극(구조체)이 마련되어 있다.

도 1a 및 1b는 종래의 음극선관용 음극구조체의 개략적인 구성도이다.

먼저 도 1a를 참조하면, 종래의 음극선관용 음극구조체는 전자를 방사하는 전자방사 물질층(11)과, 그 전자방사 물질층(11)을 지지하며, 공급된 열을 전자방사 물질층(11)에 전달하는 한편 전자방사 물질층(11)과 반응하여 전자가 방사되도록 하는 기체금속(12)과, 상기 기체금속(12)에 열을 공급하는 히터(13) 및 그 히터 (13)를 보호하는 한편 상기 기체금속(12)을 지지하는 원통형 슬리브(14)로 구성된다.

여기서, 상기 기체금속(12)은 니켈(Ni)을 주성분으로 하며, 실리콘(Si)이나 마그네슘(Mg) 등의 환원성 원소가 미량 함유되어 있다. 또한, 상기 전자방사 물질층(11)은 탄산바륨(BaCO₃), 탄산스트론튬(SrCO₃), 탄산칼슘(CaCO₃)등과 같은 알칼리토류 금속 탄산염으로 구성된다.

한편, 도 1b는 종래의 음극선관용 음극구조체의 다른 예를 보여주는 것으로서, 기본 구성은 상기 도 1a의 음극구조체와 동일하다. 다만, 이 도 1b의 음극구조체의 전자방사 물질층(11')은 도 1a의 음극구조체의 전자방사 물질층(11)과 그 조성에 있어서 약간 차이가 있다. 즉, 도 1b의 음극구조체의 전자방사 물질층(11')은 도 1a의 음극구조체의 전자방사 물질층(11)과 마찬가지로 탄산바륨(BaCO₃), 탄산스트론튬(SrCO₃), 탄산칼슘(CaCO₃) 등과 같은 알칼리토류 금속 탄산염을 주성분으로 하지만, 거기에 고전류 밀도에서 장시간 안정한 전자방사가 이루어지도록 하기 위해 소정 량의 악티늄족 금속화합물(15)이 첨가되는 점이 특징적으로 다르다.

그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 종래의 음극선관용 음극구조체에서의 전자생성과정에 대해 설명해 보기로 한다.

히터(13)의 가열에 의해 기체금속(12)을 통해 전자방사 물질층(11)으로 열이 전달되면, 전자방사 물질층(11)을 구성하는 알칼리토류 금속탄산염이 아래의 반응식 1 에서와 같이 산화물, 즉 산화바륨(BaO)이 주성분인 산화물로 변화되며, 그 후 이것은 부분적으로 900~1100^oC의 고온에서 환원되어 반도체적 성질을 갖도록 활성화된다. 이런 활성화 공정에 의하여 기체금속(12) 위에는 알칼리토류 금속산화물이 형성되고, 아래의 반응식 2 ~ 4 와 같이 기체금속(12)중에 함유된 실리콘(Si) 혹은 마그네슘(Mg) 등의 환원성 원소가 확산에 의하여 전자방사물질층(11)과 기체금속(12)의 계면으로 이동하여 알칼리토류 금속산화물과 반응한다.

결론적으로, 기체금속(12)위에 형성된 알칼리토류 금속산화물이 부분적으로 환원되어 자유바륨(Ba)이 생성되고, 아래의 반응식 5와 같이 자유바륨(Ba)에서 전자를 생성하게 된다.

BaCO₃(가열) → BaO + CO₂↑

4BaO + Si → 2Ba + Ba₂SiO₄

2BaO + Si → Ba + SiO₂

BaO + Mg → Ba + MgO

Ba → Ba²⁺+ 2e^-(전자생성)

그런데, 상기와 같은 종래의 음극구조체에 있어서는, 음극이 고온에서 동작해서 자유바륨(Ba)이 높은 증기압으로 인해 증발하게 됨으로써 전자방사원인 자유바륨(Ba)이 감소하게 되고, 증발된 자유바륨(Ba)이 전극에 부착됨으로써 원하지 않는 전자빔이 방출될 수 있다. 또 알칼리토류 금속산화물에서 자유바륨(Ba)이 생성될 때 상기 반응식 2, 3, 4 에서와 같이 기체금속(12)과 전자방사물질층(11)의 계면에 산화실리콘(SiO₂), 산화마그네슘(MgO), 산화바륨실리콘 (Ba₂SiO₄) 등의 산화물 또는 복합산화물의 중간층이 형성되며, 이 중간층의 고 저항으로 인해 전류의 흐름이 방해된다. 또 중간층은 기체금속(12)내의 환원성 원소가 전자방사 물질층(11)내로 확산되는 것을 방해하여 열 전자를 방사하는 자유바륨(Ba)이 충분히 생성되지 않는다. 따라서 음극 전체에서 방사되는 전류량은 적어지고, 전류밀도는 낮아지며, 일 함수는 커지게 된다.

한편, 도 1b에서 보는 바와 같이, 고 전류 밀도에서 장시간 안정한 전자방사를 실시하기 위해 악티늄족 금속화합물(15)을 전자방사물질층(11')에 첨가하여 고전류 밀도 상태에서 장시간 동안 안정한 전자방사 특성을 유지하는 방법이 소개되었는데, 이는 상기의 반응식 2 ~ 4 에서 전자방사원인 바륨(Ba)이외에 생성되는 부 생성물인 산화실리콘(SiO₂), 산화마그네슘(MgO), 산화바륨실리콘(Ba₂SiO₄)등의 산화물 또는 복합 산화물 등의 중간층 생성을 억제할 뿐 아니라, 생성된 중간층을 파괴함으로써 기체금속(12) 내의 환원제가 전자방사물질층(11')으로 쉽게 이동하여 전자 방사원인 자유바륨(Ba)의 생성을 돕게 되며, 그에 따라 고 전류 밀도에서 장시간 안정한 전자 방사를 실행하게 된다.

그러나, 이와 같은 악티늄족 금속화합물(15)과 알칼리토류 금속탄산염과의 입자의 크기차이로 인하여 악티늄족 금속화합물(15)이 전자방사물질층(11')의 전 부분에 고루 분포하지 못하며, 그로 인해 악티늄족 금속화합물(15)이 존재하는 곳은 쉽게 전자를 방출하는 반면, 그렇지 못한 곳은 전자방사가 원활히 이루어지지못하게 된다. 즉, 전자방사물질층(11')에서의 전자방사가 불 균일하게 이루어짐으로써 화면에서의 해상도 및 선명도를 떨어뜨리게 된다.

한편, 이상과 같은 종래의 음극구조체들은 기체금속(12)과 접촉한 전자방사물질층(11)(11')의 구성이 탄산염의 형태이므로, 음극의 초기동작시 전자방사물질층(11)(11')의 탄산염에서 CO₂, CO 등의 탄산가스가 발생하여 기체금속(12)의 주성분인 니켈(Ni)을 산화시키게 되는데, 그 반응식은 다음과 같다.

Ni + CO → NiO + C

반응식 6 에 의해 생성된 산화니켈은 히터(13)에서 받은 열량을 기체금속(12)에 완전히 전달하지 못하게 하고, 기체금속(12) 내에 존재하는 환원제의 전자방사물질층 (11)(11')으로의 확산을 못하게 하여 전자방사를 어렵게 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 전자방사를 원활히 하고, 고 전류밀도 상태 하에서도 장시간 안정된 전자방사 특성을 유지할 수 있는 음극선관용 음극구조체를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1a 및 1b는 종래의 음극선관용 음극구조체의 개략적인 구성도.

도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 음극선관용 음극구조체의 개략적인 구성도.

도 3은 종래의 음극선관용 음극구조체와 본 발명에 따른 음극선관용 음극구조체에서 발생하는 총 전류량을 비교적으로 나타낸 도면.

도 4는 종래의 음극선관용 음극구조체와 본 발명에 따른 음극선관용 음극구조체의 전류밀도를 비교적으로 나타낸 도면.

도 5는 종래의 음극선관용 음극구조체와 본 발명에 따른 음극선관용 음극구조체의 일 함수를 비교적으로 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11, 11'..............전자방사 물질층 12, 22......기체금속

13, 23...............히터 14, 24......슬리브

21f, 21f'............제 1전자방사 물질층

21s..................제 2전자방사 물질층

15, 25, 25',25''.....악티늄족 금속화합물

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 음극선관용 음극 구조체는, 전자를 방사하는 전자방사 물질층과, 전자방사 물질층 하면에서 전자방사 물질과반응하는 기체금속과, 그 기체금속에 열을 공급하는 히터 및 상기 기체금속을 지지하는 슬리브를 구비하는 음극선관용 음극구조체에 있어서,

상기 전자방사 물질층은 상기 기체금속 상면에 적층 구조로 형성되는 것으로서, 산화바륨(BaO) : 산화칼슘(CaO) : 산화알루미늄(Al₂O₃)이적정의 몰비로 혼합되어 있는 제 1 전자방사 물질층과, 상기 제 1 전자방사 물질층의 상면에 적어도 바륨(Ba)을 포함하며, 그 외 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)등의 알칼리토류 금속탄산염과 악티늄족 금속화합물이 미량 함유된 것으로 구성된 제 2 전자방사 물질층이 구비된 이중 층의 전자방사 물질층으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 구성과 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 음극선관용 음극구조체의 개략적인 구성도 이다.

먼저 도 2a를 참조하면, 제 1 실시 예에 따른 음극선관용 음극구조체는 전자를 방사하는 전자방사 물질층(21)과, 전자방사 물질층(21) 하면에서 전자방사 물질과 반응하는 기체금속(22)과, 그 기체금속(22)에 열을 공급하는 히터(23) 및 상기 기체금속을 지지하는 슬리브(24)를 구비하는데,

상기 기체금속은 슬리브(24) 상단에 구비되며, 니켈(Ni)이 주성분이고, 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)등의 환원성 금속이 미량 함유 된 조성을 가지고, 상기 전자방사 물질층(21)은 이중 층 구조로 구성되어 있는데, 이때, 상기 기체금속 상면의 제 1 전자방사 물질층(21f)은 산화바륨(BaO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al₂O₃)이 4 : 1 : 1의 몰 비로 혼합 구성되고, 상기 제 1 전자방사 물질층 상면의 제 2 전자방사 물질층(21s)은 적어도 바륨(Ba)을 포함하며, 그 외 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca)등의 알칼리토류 금속탄산염에 악티늄(Ac), 토륨(Th), 프로탁티늄(Pa)등의 악티늄족 금속산화물이 미량 함유되어 있는 조성을 갖는다.

또한, 바람직하게는 상기 제 1, 2 전자방사 물질층(21f)(21s)은 각각 30~100㎛의 두께로 형성되도록 한다.

이상과 같이 음극선관용 음극구조체를 구성함으로써, 음극구조체의 가열시에 제 2 전자방사 물질층(21s)에서 발생하는 CO₂, CO, O₂등의 가스가 기체금속(22)과 직접 접촉하지 않게 되며, 따라서 상기 반응식 6 에서 본 바와 같은 기체금속(22)의 주성분인 니켈(Ni)의 산화를 미연에 방지하여 전자방사원인 자유바륨(Ba)의 생성을 원활히 할 수 있다.

한편, 이상과 같은 본 발명에 따른 음극선관용 음극구조체는 900 ~ 1000℃의 고온에서 활성화 공정을 거칠 때, 아래의 반응식 7 ~ 9 에서와 같이, 기체금속(22) 내에 존재하는 마그네슘(Mg), 실리콘(Si) 등의 환원제가 제 1 전자방사물질층(21f)으로 확산하여 제 1 전자방사물질층(21f)에 있는 산화바륨(BaO)과 반응하여 자유바륨(Ba)을 생성한다. 그리고, 그 생성된 자유바륨(Ba)은 제 2 전자방사물질층(21s)으로 이동하여 전자를 방사하게 된다. 또한 제 1 전자방사 물질층(21f)에 존재하는 산화알루미늄(Al₂O₃)은 반응식 10 에서와 같이 환원제로써 반응하여 자유바륨(Ba)의 생성을 돕거나, 반응식 11 ~ 13 에서와 같이, 자유바륨(Ba) 생성이후, 부 생성물인산화실리콘(SiO₂), 산화마그네슘(MgO), 산화바륨실리콘(Ba₂SiO₄) 등의 중간층을 형성하는 물질과 반응하여 중간층 생성을 억제하게 된다. 그리고, 이때 생성된 실리콘(Si), 마그네슘(Mg)등의 환원제는 다시 제 2 전자방사물질층(21s)으로 이동하여 전자방사물질과 반응하여 반응식 7 ~ 9 에서와 같이 자유 바륨을 생성하게 된다.

4BaO + Si →2Ba + Ba₂SiO₄

2BaO + Si →2Ba + SiO₂

BaO + Mg →Ba + MgO

2BaO + Al₂O₃→2Ba + Al₂O₅

SiO₂+ Al₂O₃→Si + Al₂O₅

2MgO + Al₂O₃→2Mg + Al₂O₅

Ba₂SiO₄+ Al₂O₃→2Ba + Si + 2Al₂O₅

한편, 도 2b를 참조하면, 이는 본 발명에 따른 음극선관용 음극구조체의 다른 실시 예를 나타내 보인 것으로서, 전체적인 구성에 있어서 상기 첫번째 실시 예와 큰 차이는 없다. 다만, 이 제 2 실시예의 경우는 제 1 전자방사 물질층(21f')에 미량의 악티늄족 금속화합물(25'')이 더 첨가되는 점이 상기 제 1 실시예와 특징적으로 다르다.

상기 제 2 실시예와 같은 구성을 취함으로써, 첨가된 악티늄족 금속화합물(25'')이 산화알루미늄(Al₂O₃)의 역할인 중간층 생성 억제 및 환원제의 역할을 하게 되며, 아울러 제 2 전자방사 물질층(21s)에서 발생한 CO₂, CO, O₂등 가스의 영향 하에서도 알칼리토류 금속산화물과 반응을 함으로써 결론적으로 전자방사를 원활히 할 수 있게 된다.

한편, 이상과 같은 제 1, 제 2 실시예에 있어서, 제 1 전자방사 물질층(21f)(21f') 대 제 2 전자방사 물질층(21s)(21s')의 두께 비를 1 : 1.5로 구성하면, 제 1 전자방사 물질층(21f)(21f')내에 존재하는 산화알루미늄 (Al₂O₃) 및 악티늄족 금속화합물이 제 2 전자방사 물질층(21s)(21s')으로 용이하게 확산하여 전자방사를 더 용이하게 할 수 있다. 또한, 상기 제 1, 2 전자방사 물질층(21f)(21s)은 각각 30~100㎛의 두께로 형성하되, 제 1,2 전자방사 물질층(21f)(21s)의 두께의 합을 100㎛ 이하가 되도록 하는 것이 우수한 전류밀도와 낮은 일함수를 나타내다.

한편, 도 3 ~ 5는 각각 본 발명에 따른 음극선관용 음극구조체의 전류 량과 전류밀도, 일 함수와 종래의 기술에 따른 음극선관용 음극구조체의 전류 량과 전류밀도, 일 함수의 실험값을 비교해서 보여주는 도면이다.

도 3 ~ 5 에 있어서, 수평축 상의 A 및 B는 종래의 음극구조체의 제 1, 제 2 실시예를 각각 나타내고, C 및 D는 본 발명에 따른 음극구조체의 제 1, 제 2 실시예를 각각 나타낸다. 도 3내지 도 5의 그래프의 결과로부터 본 발명에 따른 음극선관용 음극구조체가 총 전류 량, 전류밀도, 일 함수에서 종래의 음극구조체에 비해 한층 개선된 효과를 보여주는 것을 알 수 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 음극선관용 음극구조체는 종래의 음극구조체에 비해 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 음극구조체의 동작시 제 1 전자방사 물질층(21f)(21f')에 CO₂, CO, O₂등의 가스가 발생하지 않으므로, 제 1 전자방사 물질층에 접한 기체금속(22)의 주 성분인 니켈(Ni)이 산화되지 않아 충분히 열이 전달되고, 기체금속(22)내에 함유된 환원제의 전자방사 물질층으로의 확산이 용이하여 자유바륨(Ba)의 생성이 원활하다.

둘째, 제 1 전자방사 물질층(21f)(21f') 의 구성성분인 산화알루미늄(Al₂O₃)이 환원제 역할을 하고, 중간층을 이루는 산화물의 생성을 억제하여, 제 2 전자방사물질층(21s)(21s')에서 더 많은 자유바륨(Ba)을 생성시킬 수 있다.

셋째, 제 1 전자방사물질층(21f')에 첨가된 악티늄족 금속화합물(25'')이 환원제 역할을 하고, 중간층 생성을 억제하는 동시에 음극구조체의 동작시 제 2 전자방사 물질층에서 발생한 CO₂, CO, O₂등 가스의 영향하에서도 알칼리토류 금속산화물과 반응하여, 음극구조체가 고 전류밀도에서도 장시간 안정되게 전자를 방사할 수 있다.

Claims

전자를 방사하는 전자방사 물질층과, 전자방사 물질층 하면에서 전자방사 물질과 반응하는 기체금속과, 그 기체금속에 열을 공급하는 히터 및 상기 기체금속을 지지하는 슬리브를 구비하는 음극선관용 음극구조체에 있어서,

상기 전자방사 물질층은 상기 기체금속 상면에 이중층구조로 형성되는 것으로서, 산화바륨(BaO) : 산화칼슘(CaO) : 산화알루미늄(Al₂O₃)이적정의 몰비로 혼합되어 있는 제 1 전자방사 물질층과, 상기 제 1 전자방사 물질층의 상면에 적어도 바륨(Ba)을 포함하며, 그 외 스트론튬(Sr) 및 칼슘(Ca)등의 알칼리토류 금속탄산염과 악티늄족 금속화합물이 미량 함유된 것으로 구성된 제 2 전자방사 물질층이 구비된 이중층의 전자방사 물질층으로 구성된 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전자방사 물질층 및 제 2 전자방사 물질층의 두께가 각각 30 ~ 100㎛인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 전자 방사물질층과 제 2 전자 방사 물질층의 두께의 합이 60 ~ 100㎛인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전자방사 물질층을 구성함에 있어서 산화바륨(BaO) : 산화칼슘(CaO) : 산화알루미늄(Al₂O₃)이 4 : 1 : 1의 몰 비로 구성된 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전자방사 물질층에 악티늄족 금속화합물이 미량 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체.
제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 악티늄족 금속화합물은 악티늄(Ac), 토륨(Th), 프로탁티늄(Pa)등과의 화합물인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전자 방사물질층과 제 2 전자 방사물질층의 두께 비는 1 : 1.5 인 것을 특징으로 하는 음극선관용 음극구조체.