KR20010096076A - 음극선관용 전자총에서 음극의 탑재 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음극선관용 전자총에서 음극의 탑재구조에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 구성은, 전자빔을 방사하기 위해 전계 방출을 이용하는 냉음극을 이용하고, 그 냉음극을 인라인용 전자총에 탑재하기 위해서, 칩 베이스 플레이트(35)상에 음극선관의 R, G, B 형광체에 대응하는 냉음극 칩(FEA Chip)(33)을 적재하고, 그 플레이트에는 각 냉음극 칩에 전압을 인가하기 위한 리드선(36)을 구비하고, 플레이트는 이 플레이트를 지지함과 아울러 전자총에 체결 고정되는 플레이트 서포터 (미도시됨, 46)로 구성된다. 따라서, 본 발명은 공정을 단순화하고 조립 정밀도를 향상시키는 동시에 공정 변수에 의한 냉음극 소자의 파괴를 방지함으로써 냉음극 전자총의 비용 절감 및 품위 향상을 할 수가 있다.

Description

음극선관용 전자총에서 음극의 탑재 구조{Structure for loading cathode in Electron gun of CRT}

본 발명은 칼라 음극선관 또는 고정세도 산업용 모니터에 사용되는 전자총에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 전자총에서 전자를 방출시키는 음극(Cathode)의 탑재 구조에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 칼라 음극선관의 횡단면도로서, 음극선관은 내면에 형광체가 도포된 패널(1)과, 이 패널의 내면에 근접되게 설치되어 전자빔의 색선별 역할을 하는 섀도우 마스크(2)와, 그 패널의 후방에 고정된 깔대기 형상의 펀넬(3)과, 펀넬의 넥크관(3a)에 봉입되어 R, G, B(적, 녹, 청) 3개의 전자빔(4)을 형광막(5) 측으로 주사하는 전자총(6)과, 넥크관(3A)에 설치되어 전자총에서 발사된 전자빔을 스크린측으로 향해 수평 및 수직방향으로 편향시키는 편향요크(7) 등으로 구성되어 있다.

상기 음극선관에 적용되는 전자총(6)의 각 전극들은 음극에서 발생된 전자빔이 일정한 세기로 제어되어 스크린에 도달할 수 있도록 전자빔이 통과하는 경로상에 수직되게 인라인(In-line)으로 배치된다. 이를 첨부된 도 2를 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 전자총(6)은 히터(도시는 생략함)가 각각 내장되고 상호 독립되게 수평으로 나란히 배치된 3개의 음극(8)과, 상기 음극(8)으로부터 일정 간격이 유지되게 배치되어 음극에서 발생되는 열전자를 제어하는 제 1 그리드 전극(9)과, 상기 제 1 그리드전극으로부터 일정 간격이 유지되게 배치되어 음극의 전자 방사물질면(도시는 생략함)에 모여 있는 열전자를 당겨내어 가속시키는 역할을 하는 제 2 그리드 전극(10)과, 상기 제 2 그리드전극에 근접되게 설치되어 제 1, 2 그리드전극과 함께 빔 형성 영역을 형성하는 제 3 그리드전극(11)과, 상기 제 3 그리드전극과 함께 정전렌즈를 형성하는 제 4 그리드전극(12) 등으로 구성되어, 이들이 한 쌍의 비드 글라스(14)에 의해 고정되어 일정 간격을 유지하고 있다.

상기 음극(8)에는 컷 오프(cut-off) 전압이 반드시 같아지도록 일정의 전류치를 얻기 위해 각각 다른 전압이 인가되는데, 가속전극인 제 2 그리드전극(10)에 400 ~ 1000V, 양극인 제 4 그리드전극(12)에는 25000~35000V의 고전압이 인가되고, 집속전극인 제 3 그리드전극(11)에는 양극전압의 약 20~35% 되는 중간전압이 인가된다.

따라서, 상기한 구조의 전자총(6)은 음극(8)에 내장된 히터가 스템핀(13)으로부터 전원을 인가 받아 발열하면 이 발열에 의해 음극(8)에서 전자가 방출되는데, 이렇게 방출되는 전자빔(4)은 제어전극인 제 1 그리드전극(9), 가속전극인 제 2 그리드전극(10) 및 집속전극인 제 3 그리드전극(11)으로 구성되는 빔 형성 영역(Beam forming region)에서 적절히 제어 및 가속된다.

그후, 전자빔은 제 3 그리드전극(11)과 제 4 그리드전극(12)에 각각 인가되는 전압차에 의해 형성되는 정전렌즈(Electrostatic lens)에 의해 집속 및 가속된다.

전자총의 주렌즈(main lens)인 상기 정전렌즈를 통과한 전자빔은 넥크관(3a)의 외주면에 설치된 편향요크(7)에 인가되는 전류의 세기에 의해 형성되는 자계(magnetic field)의 영향으로 인하여 그 경로가 결정된다.

이와 같이 편향요크(7)에 의해 결정된 경로를 따라 진행하는 전자빔(4)은 형광막(5)에 근접되게 설치된 섀도우 마스크(2)를 통과하면서 색선별되어 형광막(5)에 충돌하여 형광체를 발광시키게 되므로 화면이 재현된다.

상기한 종래기술에서 형광막에 에너지를 전달하여 빛을 내도록 작용하는 전자빔(4)을 형성시키기 위하여 현재까지는 주로 열음극을 사용하여 왔다. 도 3에 상기 열음극에 대한 개략적인 구조를 도시하고 이에 대하여 간략하게 설명하고자 한다. 종래의 열음극에서 일반적으로 사용되는 에미터(15)는 주로 BaCO₃, SrCO₃, CaCO₃의 복합 탄산염 성분으로 주성분이 Ni이고 Si과 Mg가 극미량 첨가된 기체금속(Base metal) 또는 캡(Cap)(16) 위에 스프레이 방법으로 도포되어 형성된다. 이러한 복합 탄산염은 공정중에 열활성화 단계를 통하여 BaO, SrO, CaO의 산화물로 바뀌게 되고 이러한 이유로 열음극을 일반적으로 산화물 음극이라고도 한다. 상기 복합 산화물은 전류 활성화 단계를 통하여 기체 금속(16)중에 포함되어 있는 Si 또는 Mg과의 환원 반응을 통하여 Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺이온이 되며 전자를 내놓게 되고 이 과정에서 MgO 또는 Ba₂SiO₄와 같은 반응물질을 생성하게 된다. 이러한 반응물질은 열음극 동작중에 계속 생성되어 에미터(15)와 기체금속(16) 사이에 적층되고 결국에는 양단간의 전자의 흐름을 차단하게 되어 열음극의 동작을 저해하게 된다.

도 3에서 히터(19)는 열음극의 동작에 필요한 열을 발생하게 되는데 주로 Re이 포함된 W을 나선형으로 감아서 제조되며, 히터의 양 단자에 약 6.3V의 직류전압을 인가하여 700~1000℃ 정도의 열을 발생하는 기능을 한다. 히터에서 장시간 높은 열을 발생시키다 보면 가끔 히터가 파괴되는 문제가 발생하게 되는데, 이는 곧 에미터의 동작을 불가능하게 만들고 해당 칼라 음극선관은 수명이 끝나게 된다. 슬리브(17)와 홀더(18)는 히터에서 발생된 열이 외부로 손실되는 것을 막고 내부의 열복사를 최대화 하는 기능을 한다.

상기에서 설명한 종래의 일반적인 칼라 음극선관의 전자총에 채용되고 있는 열음극은 다음과 같은 문제점들을 나타내고 있다.

먼저, 상기 열음극에서 전자가 방출되기까지는 히터(9)에 전압이 인가된 후 발생된 열이 에미터에 전달되어야 하는데 이는 일정 정도의 시간을 요구한다. 즉, 칼라 음극선관에 외부 전원이 인가된 후 화상이 스크린에 나타나는 데에 걸리는 시간 지연을 의미하며, 에미션 웜 업 타임(Emission Warm-up Time, Tew)으로 통칭되는 이 지연시간은 보통의 음극선관의 경우에 6~10초가 소요되고 있으며 신속한 전자제품의 동작을 원하는 소비자들에게는 큰 불만거리가 아닐 수 없다.

또한 음극선관의 동작중에는 히터에서 계속 열을 발생시켜야 하는데, 이때 보통 5~10W 의 전력이 소모된다. 이는 전체 음극선관의 전력 소모중에서 약 10% 내외를 차지하고 있다. 만약 열을 필요로 하지 않는 음극을 음극선관에 채용하게되면 이러한 손실을 막을 수 있어, 좀 더 환경 친화적인 제품을 만들 수 있게 된다.

상기의 도 2에서 설명하였듯이 음극선관의 전자총에는 음극에서 방출된 전자빔을 제어, 가속, 집속시키기 위한 그리드 전극들이 빔축을 따라서 일정한 간격을 두고 정렬되어 비드 글라스(14)에 의해 고정된다. 각 그리드 전극들에는 전자빔이 통과하기 위한 공경 또는 개구부가 형성되어 있으며 각 전극들의 축 방향 위치, 공경의 중심축 정렬 등은 전자빔의 형상을 결정하게 되는데, 이는 각 전극들의 공차 정도가 음극선관의 특성에 중대한 영향을 미치고 있음을 의미한다. 그러나 상기 열음극을 채용한 음극선관은 히터에서 발생되는 700℃~1000℃의 고온이 비드 글라스 등을 통하여 그리드 전극에 전달이 되고 각 그리드 전극 및 음극의 홀더(18)부를 지지하고 있는 구조체(Eyelet)가 열적 변이를 일으키게 되어 각 그리드 전극과 캐소드의 빔축상의 위치를 변화하게 만들고 또한 비드 글라스의 열변형으로 각 그리드 전극 공경의 정렬 상태가 흐트러져 결과적으로 음극선관의 전기적 특성(BKGD, 오버슈트, 안정도 등)을 악화시키게 되며, 또한 스크린상에서의 화질을 저하시키는 문제를 일으키고 있다. 현재 이러한 문제들을 조금이라도 개선시키기 위하여 제 1 그리드 전극(9), 제 2 그리드 전극(10) 등은 도 2에서 도시한 바와 같이 엠보싱 구조로 설계하거나 비드 글라스에 매입되는 비드 서포터에 각도를 주어 설계하는 등의 노력을 기울이고 있으나 열음극을 채용하는 이상 근원적인 해결은 될 수 없다.

상기에서 설명한 산화물 음극 에미터(15)는 동작중에 히터의 높은 열에 의해차츰 증발하여 제 1 그리드 전극의 공경 주위에 부착되는데, 이는 처음 음극선관의 제조시에 설정한 조건과 달라지게 되므로 시간이 지남에 따라 음극선관의 화질이 저하되는 문제를 야기하게 된다. 또한 상기에서도 설명하였듯이 산화물 음극이 전자를 내놓기 위한 환원반응에서 생성되는 중간층(MgO,Ba₂SiO₄)에 의해 음극선관의 수명이 다하게 되는 문제를 나타내고 있다.

지금까지 보고된 열음극의 경우, 전류밀도가 약 0.5A/cm²~10A/cm²이며, 일반적인 산화물의 음극의 경우 전류밀도가 약 0.5A/cm²로서 고해상도 모니터용 음극선관을 구현하기에는 충분하지 않으며, 함침형 음극과 같이 약 10A/cm²의 고전류밀도 특성을 갖는 음극의 경우는 산화물 음극보다 훨씬 동작온도가 높아 거의 1000℃에 가까운 동작온도를 필요로 하며, 제조상의 이유 등으로 인하여 가격 또한 훨씬 비싸기 때문에 일부 고가 모델이 아니고는 사용하기가 어려운 단점이 있다.

또한, 기존 열음극에 있어서 산화물 음극으로부터 제 1 그리드 공경까지의 거리(K-G1 간격)는 음극으로부터 방출되는 전류의 양을 제어하는데 있어 가장 큰 영향을 주는 요인이다. 다시 말하자면 음극으로부터 전자가 방출되지 않는 경계 전압을 컷-오프 전압(Ekco)이라고 하는데, 이 전압은 상기 K-G1 거리와 반비례 관계에 있으며, 일반적인 음극선관에서 안정적이고 균일한 화질을 얻기 위해서는 이 K-G1 거리를 R,G,B 각각에 대해서 매우 정밀하게 조절, 설정해주어야 한다. 일반적으로 음극선관의 제조공정에서 K-G1 거리를 설정하여 주는 공정을 스판-셋(Span-Set)공정이라고 한다.

이러한 종래 일반적인 스판-셋 방법을 도 4를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

일반적으로 전자총의 최종 전극측으로부터 가는 노즐(20)을 제 1 그리드전극(21)으로 밀어 넣어 제 1 그리드전극(21)의 전자빔 통과공에 노즐(20)이 걸리도록 하고, 이 노즐로부터 일정 압력의 공기압을 내보내면서 음극(23)과 제 1 그리드 전극(21) 사이의 거리를 가변시키며, 이때 발생되는 공기압의 변화를 전기적으로 변화시켜 일정값이 되면 음극(23)을 용접, 고정시킴으로써 전극과의 간격(D)을 세팅하게 된다.

그러나 이러한 공기압 방식의 스판-셋 방법은 몇가지 문제점을 가지고 있다.

그 첫째가, 외부의 요인에 의해 공정이 영향을 받기가 쉽다는 점이다. 외부에서 노즐(20)측으로 인가되는 공기압은 항상 일정하여야 하는데, 현실적으로 이를 실현하기는 어려우며 이러한 공기압의 미세한 변화가 음극(23)과 제 1 그리드전극(21)간 간격(D)의 산포를 크게 만들어 이에 대한 관리가 어려워진다.

둘째로, 외기압의 변화도 공정에 영향을 미치게 되어 결과적으로 제조되는 전자총의 전기적 특성, 특히 휘점소거전압(컷-오프 전압, Ekco)에 차이가 생기는 것을 ΔEkco라고 하며 이 값이 일정 수준 이상으로 높아지면 불량 음극선관으로 처리된다.

셋째로, 종래의 스판-셋 방법에서는 노즐(20)이 제 1 그리드전극(21) 또는 제 2 그리드전극(22)에 직접 접촉하게 되는데, 이러한 전극들의 두께는 약 0.1mm내외로 매우 얇기 때문에 노즐(20)의 접촉으로 인해 전극의 형상이 변형되기 쉽게 된다. 또한, 상기 접촉으로 인해 전자빔 통과공의 주변이 오염되거나 전극 표면에 긁힘이 발생되어 휘점소거전압의 산포를 더욱 증대시켜 음극선관의 화상 품위를 저하시키게 된다. 뿐만 아니라, 음극선관의 안정도 불량, 방전 특성 불량 등의 심각한 문제를 야기시킬 수 있게 된다.

넷째로, 음극(23)이 서포트 아일렛(23') 내부에 삽입되어 스판-셋 작업시에 음극(23)의 하부(홀더부)와 아일렛(23')의 하부가 용접이 되는데, 이때 음극의 축방향 중심과 아일렛의 축방향 중심이 조금이라도 어긋나면 음극(23)이 축방향과 일치되지 않고 기울어지게 된다는 것이다. 이렇게 제조된 전자총을 음극선관에 실장하여 구동시키면 음극(23)에서 방출된 전자빔이 전자총의 전극 사이에서 형성되는 렌즈의 중심을 벗어나서 지나게 되므로 전자빔의 좌측과 우측의 포커스 전압이 다르게 나타나는 코마(Coma)를 발생시켜 전자총의 포커스 특성에 악 영향을 미치므로 화면이 선명하지 않고 흐릿해지는 등의 화상 품위를 저하시키게 된다.

따라서, 이러한 노즐 및 공기압을 이용하는 종래의 스판-셋 방법은 여러 가지 복잡한 공정과 준비 작업을 요구하게 되며 화면 특성에도 많은 문제점을 일으키게 되므로 이러한 스판-셋 작업을 요구하지 않는 음극 및 지지구조를 사용하게 되면 전자총의 제조 원가 절감은 물론, 전자총의 특성 향상에도 크게 기여할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 열음극 대신에 냉음극을 사용하는 동시에 R, G, B 각각의 형광체에 해당하는 전자원을 동일 기판에 형성시켜 본 발명에서 제안하는 칩 베이스 플레이트(Chip Base Plate)와 서포터(Supporter) 구조로 지지 및 전기적으로 결선하여 음극선관의 전자총에 탑재함으로써 전자총 제조 공정을 단순화하고 조립 정밀도를 향상시키는 동시에 전자총의 제조 원가 절감 및 품위 향상을 목적으로 한다.

냉음극의 경우, 전원이 인가되면 곧바로 전자가 방출되기 때문에 출화시간이 마이크로초(㎲) 단위로 짧아지기 때문에 순간동작(instant-on)이 가능하며, 히터를 필요로 하지 않기 때문에 열에 의한 전자총의 불안정한 특성이 발생되지 않으며, 전력소모가 현저하게 줄어든다. 또한 전류밀도도 10A/cm²이상으로 높기 때문에 고해상도 모니터용에 사용이 가능하며, 수명 특성도 향상된다.

도 1은 일반적인 섀도우 마스크형 칼라 음극선관의 횡단면도,

도 2는 도 1에 도시된 전자총의 구성도,

도 3은 일반적인 열음극의 종단면도,

도 4는 종래기술에 따른 전자총에서의 스판-셋(Span-set) 모식도,

도 5는 일반적인 냉음극의 사시도,

도 6은 일반적인 냉음극의 단면 구조도,

도 7은 일반적인 냉음극의 동작 원리도,

도 8의 (a)~(g)는 일반적인 냉음극의 제조 공정도,

도 9는 열음극 채용 전자총과 냉음극 채용 전자총의 소켓 및 단면 비교 구성도,

도 10은 본 발명에 의한 냉음극 칩 베이스 플레이트의 사시도,

도 11은 본 발명에 의한 냉음극 칩의 전자총 탑재 구조의 일 예를 나타내는 모식도,

도 12의 (a)~(c)는 본 발명에 의한 냉음극 칩의 전자총 탑재 구조의 다른 예시도,

도 13은 본 발명에 의한 칩 베이스 플레이트 구조도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 패널(Panel) 2 : 섀도우 마스크(Shadow mask)

3 : 펀넬(Funnel) 3a : 넥크관(Neck tube)

4 : 전자빔(Electron beam) 5 : 형광면

6 : 전자총(Electron gun) 7 : 편향요크(Deflection yoke)

8 : 음극 9~11 : 제 1 ~ 제 3 그리드 전극

12 : 양극 13 : 스템핀(Stem pin)

14 : 비드글라스(Bead-glass) 15 : 열음극 에미터

16 : 베이스 메탈(Base metal) 17 : 슬리브(Sleeve)

18 : 홀더(Holder) 19 : 히터(Heater)

24 : 기판 25 : 캐소드 전극

26 : 절연층 27 : 게이트 전극

28 : 캐비티(Cavity) 29 : 냉음극 에미터

30 : 할로우(Hollow) 31 : 칩 베이스 플레이트

32 : 리드선(Lead wire) 41 : 냉음극 칩

43 : 절연체(Insulator) 46 : 칩 베이스 플레이트 서포터

47 : 게이트 전극 패드 48 : 활성 영역

49 : 포커스 전극 패드 50 : 와이어 본딩

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

냉음극은 여러 가지 종류가 있는데, 일반적으로 2극관인 다이오드(Diode) 구조와, 3극관인 트라이오드(Triode)구조, 그리고 4극관인 테트로드(Tetrode) 구조로 나뉘어진다. 본 발명에서 사용되는 냉음극은 상기 구조의 어느 구조라도 전계 방출에 의하여 전자를 생성할 수 있는 구조라면 적용이 가능하다. 이하, 설명이나 도면에서는 트라이오드 구조 또는 테트로드 구조를 예를 들어 설명하겠다.

먼저, 도 5는 일반적인 냉음극의 사시도이고, 도 6은 도 5에서 A-A'로 자른냉음극의 단면 구조도이다.

도 5에 도시된 냉음극은, 기판(26) 위에 캐소드 전극(27), 절연층(28) 및 게이트 전극(29)이 순차로 형성되고, 이 형성된 결과물의 소정 부분을 식각하여 캐비티(Cavity)(30) 내에 에미터(31)가 형성된 구조이다. 이러한 냉음극 구조에서 게이트 전극(29)과 캐소드 전극(27) 사이에 바이어스를 인가하게 되면 양 전극 사이에 전계가 발생되고 이 전계에 의하여 에미터(31)의 선단에서 터널링에 의한 진공중으로의 전자방출이 일어나게 된다. 이때 게이트와 캐소드 전극 사이에 인가되는 바이어스의 전위를 조절하게 되면 에미터로부터 방출되는 전자의 양을 제어할 수 있게 된다. 즉 게이트와 캐소드 전극 사이의 전위차가 크면 클수록 에미터(31)로부터 방출되는 전자의 양이 증가하게 된다.

도 7에는 냉음극이 일반적으로 사용되는 분야인 전계 방출 디스플레이(FED; Field Emission Display)의 원리를 간단하게 모식화하여 나타내었다.

상기에서 설명한 바와 같이 에미터(31)로부터 방출된 전자가 대향면에 형성되어 있는 알루미늄층의 애노드 전극(32)에 인가된 애노드 전압에 의해 가속되어 형광막(5)을 발광시킴으로써 빛을 내는 원리이다. 이때 전자 방출의 양은 에미터(31) 선단에 형성되는 전계의 세기에 비례하는데, 이 전계의 세기는 게이트 전극(29)과 캐소드 전극(27) 사이의 전위차에 비례하고 게이트 전극(29)에 형성되는 게이트 홀(hole)의 지름에 반비례하게 된다.

도 8의 (a)~(g) 단면도는 상기에서 설명된 일반적인 냉음극의 제조방법을 나타낸 것이다.

이를 간단히 설명하면, 먼저 기판(26) 위에 캐소드 전극(27)을 증착(a)한 후 일정한 패턴을 형성하고(b), 그 위에 에미터(31)의 안정도를 향상시키기 위한 저항층(27a)과 절연층(예: SiO₂, SiN₄)(28), 그 위에 게이트 전극(29)을 증착한다(c). 이 후, 게이트 전극(29)과 절연층(28)에 일정한 지름과 깊이를 갖는 게이트 홀 패턴 및 개구부인 캐비티를 형성시킨 후, 캐비티 내에는 유입되지 않도록 경사를 주어 희생층(29a)을 증착한다(e). 그리고 수직방향으로 에미터 물질(31a)을 증착하게 되면 캐비티내에 에미터 팁(31)이 원추형으로 형성되고(f), 최종적으로 희생층(29a)을 제거(g)하면 일반적인 냉음극 구조가 완성되게 된다. 일반적으로 냉음극의 동작을 위해서는 상기와 같은 에미터 구조가 수백~수만개가 어레이 형태로 형성되는데, 이러한 구조를 전계 방출 에미터 어레이(FEA; Field Emitter Array)라고도 한다. 이후, 설명에서는 이러한 소자를 냉음극 칩 또는 FEA 칩이라고 한다.

상술한 냉음극의 작동원리와 제조방법은 일반적으로 널리 알려져 있는 기술이다. 그러나 이러한 냉음극은 앞에서 설명한 전계 방출 디스플레이(FED)나 주사 전자 현미경(SEM; Scanning Electron Microscopy) 등에서는 많이 사용되고 있지만, 상용화된 음극선관의 전자원으로서는 사용된 예가 없다. 이의 원인으로서는 여러 가지가 있을 수 있겠으나 가장 큰 원인은 냉음극을 음극선관의 전자총에 안정적으로 탑재하는 적당한 수단이 없었기 때문으로 판단된다. 따라서 본 발명에서는 음극선관에 현재까지 주로 사용되어온 열음극을 대치하기 위한 냉음극의 탑재수단에 대하여 제안하고자 한다.

도 9는 열음극을 채용한 음극선관의 전자총(a)과 냉음극을 채용한 음극선관의 전자총(b)에 대한 횡단면도와 소켓(Socket)에 대하여 비교하기 위하여 이를 도시하였다. 열음극이나 냉음극을 채용한 전자총에 있어 그리드 전극들의 형상이나 디멘젼(Dimension)은 동일하다고 가정한다. 물론, 도 9에 도시된 바와 같이, 열음극과 냉음극에서의 방출 특성이 다르기 때문에 빔 형성 영역(Beam Forming Region)이나 주렌즈(Main Lens)부의 형상이 달라져야 할 것으로 예상되지만 이는 본 발명의 내용과는 관련성이 없으므로 무시하기로 한다. 또한 소켓의 경우 열음극을 채용한 전자총에서는 각 캐소드 전극, 제 1 그리드 전극, 제 2 그리드 전극, 포커스 전극에 전압을 인가하기 위한 핀(Pin)과 히터의 양단에 전압을 인가하기 위한 핀이 필요하게 된다. 그러나 냉음극의 경우(b)에는 히터가 필요없으므로 두 핀이 남게 되는데, 이는 냉음극 자체에 형성되어 있는 게이트 전극과 포커스 전극에 전압을 인가하기 위하여 사용되게 된다. 즉, 열음극이나 냉음극을 채용한 전자총은 모두 동일한 수의 스템 핀을 필요로 한다.

도 10은 상기 도 8의 제조방법에 의해 완성된 본 발명의 냉음극 칩(33) 지지를 위한 베이스 플레이트(35) 구조의 사시도이다. 이에 도시된 바와 같이, 칩 베이스 플레이트(35)에는 후술하는 도 11에 도시된 냉음극의 게이트 전극 패드(Pad, 47) 또는 포커스 전극 패드(49)와 연결하기 위한 리드선(Lead wire, 36)이 형성되어 있다. 상기 칩 베이스 플레이트(35)의 재질은 금속(예: 서스(SUS), SPCC 등) 또는 절연체(예 : 세라믹 등.)를 사용할 수 있다. 바람직하게는 가공성을 고려하여 금속을 사용하는데 이 경우에는 상기 각 리드선(36)은 금속 재질인 베이스 플레이트(35)와의 전기적인 절연을 위하여 리드선의 일부분에 절연체를 코팅시키거나 상기 각 리드선과 베이스 플레이트(35)와의 접촉부위의 둘레에 절연체, 바람직하게는 유리(glass)로 충진한다. 만약 세라믹과 같은 절연체를 상기 베이스 플레이트(35)의 재질로 사용할 경우에는 상기 각 리드선(36)과 베이스 플레이트의 사이에 절연을 따로 시켜줄 필요가 없다. 또한 바람직하게는 상기 칩 베이스 플레이트(35)의 중앙부에는 상기 냉음극 칩(33)을 적재하기에 유리하도록 냉음극 칩의 크기에 맞도록 형성된 할로우(Hollow, 37)가 소정의 깊이로 형성되어 있다. 상기 할로우(37)를 형성시킬 때 칩 베이스 플레이트(35)의 소정의 위치에 정렬이 되도록 형성하게 되면 상기 할로우(37)에 상기 냉음극 칩(41)을 적재하고 상기 칩 베이스 플레이트(35)와 상기 전자총의 각 그리드 전극들을 상기 비드 글라스(14)로 고정시켰을 때 각 그리드 전극들의 공경과 냉음극 칩에 형성된 R, G, B 형광체 각각에 대응하는 에미터 어레이의 중심이 자동적으로 정렬되는 이점도 얻게 된다. 이때 상기 냉음극 칩(33)에는 상기 R, G, B 형광체 각각에 대응하는 에미터 어레이가 동일 기판 위에 형성되는 것이 바람직하지만, 본 발명에서는 R, G, B 형광체 각각에 대응하는 에미터 어레이 3개를 각각의 기판에 제조하여 상기 칩 베이스 플레이트(35)에 적재하는 구조도 포함한다. R, G, B 형광체 각각에 대응하는 에미터 어레이를 동일한 기판 위에 형성하게 되면 공정수도 단축할 수 있고 작업성도 유리하며 또한 상기 각 에미터 어레이의 위치 산포가 없기 때문에 열음극의 경우보다 안정된 화질을 얻을 수 있다.

본 발명에서와 같이 냉음극을 음극선관의 전자총에 채용하였을 때 열음극을 채용한 음극선관의 전자총과 크게 다른 점은 열음극은 상술한 바와 같이 음극과제 1 그리드 전극 사이의 거리(K-G1 간격)에 전기적 특성이 상당히 크게 영향을 받는 반면에 냉음극의 경우 칩 자체에 게이트 전극이 형성되어 있어 이 전압에 의하여 전류의 양이 조절되므로 열음극의 경우처럼 K-G1 간격이 큰 영향을 미치지 않는다. 이는 다시 말하자면, 열음극 전자총에서의 복잡하고 어려운 스판-셋 공정을 거치지 않고도 고품위 전자총을 제조할 수 있다는 의미를 가지며 기존의 음극선관 전자총의 제조공정을 획기적으로 개선할 수 있게 된다.

도 11은 본 발명의 음극선관 전자총의 탑재 구조의 일 예를 나타낸 모식도로서, 도 11의 (a)는 횡단면이고, (b)는 종단면이다. 이를 참조로 하여 음극선관 전자총의 탑재 구조와 그 작용을 설명한다.

상술한 도 10에 도시된 칩 베이스 플레이트(35)에는 리드선(36)과 할로우(37)가 형성되어 있고, 이 할로우(37)에는 냉음극 칩(FEA Chip, 33)이 적재되어 상기 각 리드선(32)과 상기 냉음극 칩(33) 위에 형성된 게이트 전극 패드(47), 그리고 포커스 전극 패드(49)가 각각 전기적으로 연결되어 있다. 이때 상기 각 전극들의 패드(47, 49)와 리드선(36)을 연결하기 위한 수단으로는 일반적인 와이어 본딩(Wire bonding, 50) 방법을 사용할 수 있다. 상기 냉음극 칩(33)에서 실제 전자 방출 영역인 A-A' 부에 대한 단면을 살펴보면, 상기에서 설명한 일반적인 냉음극의 구조와 동일하며, 이는 게이트 전극과 포커스 전극이 동일한 면상에 형성된 테트로드 구조로 되어 있다. 물론, 본 발명에서는 이러한 구조를 기준으로 설명하지만 본 발명에 적용할 수 있는 냉음극은 이러한 구조 외에도 전계에 의한 전자 방출 현상을 이용하는 전자원이라면 어느 구조라도 적용이 가능하다.

본 발명에서는 상기 칩 베이스 플레이트(35)를 정도 있게 전자총에 탑재하기 위한 칩 베이스 플레이트 서포터(Chip Base Plate Supporter, 46) 구조를 제공한다. 이는 도 11의 (a)의 횡단면과 (b)의 종단면에서 보이는 바와 같이 상기 냉음극 칩(33)이 상기 할로우(37)에 적재되고 상기 리드선(36)과 적절하게 결선되어 있는 상기 칩 베이스 플레이트(35)는 이를 지지할 수 있는 상기 칩 베이스 플레이트 서포터(46)와 체결되고, 상기 전자총의 각각의 전극들과 비드 글라스(14)에 의하여 고정된다. 바람직한 것은 도 11에서와 같이, 칩 베이스 플레이트(35)와 제 1 그리드 전극(40)이 체결되어 비드 글라스(14)에 의해 고정되는 것이지만, 또 다른 구동방법을 위하여 상기 칩 베이스 플레이트(35)와 제 1 그리드 전극(40)은 일정 거리를 두어 구성할 수도 있다.

또한 상기 냉음극 칩(33)이 비드 글라스(14)와 상기 전자총의 각 전극들을 고정시키는 비딩 공정을 겪게 되면 높은 공정 온도에 의하여 상기 에미터(31)가 산화되거나 상기 냉음극 칩(33)과 리드선(36)과의 결선부가 떨어지는 등의 문제가 발생할 수 있다. 이러한 경우에는 상기 칩 베이스 플레이트 서포터(46)와 상기 전자총의 각 전극들을 비드 글라스(14)로 고정시킨 후에, 최종적으로 냉음극 칩(33)이 적재된 칩 베이스 플레이트(35)를 레이저 용접 등의 방법으로 칩 베이스 플레이트 서포터(46)에 체결할 수 있다.

상기 칩 베이스 플레이트 서포터(46)의 하단(스템 방향) 개구부에 상기 칩 베이스 플레이트(35)를 체결하게 되면 상기 칩 베이스 플레이트(35)에 적재되어 있는 상기 냉음극 칩(33)의 활성 영역(Active area)(48)의 중심은 자동적으로 제 1그리드 전극(40)의 공경부의 중심과 정렬이 되게 된다.

도 12의 (a)~(c)는 본 발명에 의한 냉음극 칩의 전자총 탑재 구조의 다른 실시예를 나타낸다. 먼저, 도 12의 (a)는 제 1 그리드 전극(40a)과 칩 베이스 플레이트 서포터(46a)를 일체형으로 하는 것을 나타내고 있다. 이렇게 구성함으로써 부품수를 줄이고 각 전극들의 공경과 냉음극 칩(33)과의 위치 정도를 더욱 정밀하게 할 수 있어 전자총의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 도 12의 (b)는 제 1 그리드 전극(40b)과 칩 베이스 플레이트 서포터(46b)를 일체형으로 하며 제 1 그리드 전극의 공경 주위부는 냉음극 칩(33) 방향으로 후퇴시키고 상기 칩 베이스 플레이트(35)의 상기 리드선(36)이 돌출된 부위는 전자빔 진행방향으로 돌출시키는 구성을 나타내고 있다. 이러한 구성의 목적은 상기 칩 베이스 플레이트(35)에는 냉음극 칩(33)의 게이트 전극 패드(47) 또는 포커스 전극 패드(51)와의 결선을 위한 리드선(36)이 소정 높이로 돌출되어 있는데, 이 돌출된 리드선(36)과의 간섭을 배제하고 동시에 냉음극 칩(33)과 제 1 그리드 전극의 공경과의 거리를 적절히 제어하기 위한 것으로, 이러한 구조를 통하여 냉음극 칩(33)으로부터 방출된 전자를 보다 효율적으로 스크린 방향으로 가속시킬 수 있게 된다. 또한, 도 12의 (c)는 제 1 그리드 전극(40c)과 칩 베이스 플레이트 서포터(46c)를 분리형으로 하고 제 1 그리드 전극(40c)의 공경 주위부는 냉음극 칩(33) 방향으로 후퇴시키고 상기 칩 베이스 플레이트(35)의 상기 리드선(36)이 돌출된 부위는 전자빔 진행방향으로 돌출시키는 구성을 나타내고 있다.

도 13은 본 발명에 의한 냉음극 전자총의 탑재를 위한 칩 베이스플레이트(56) 구조의 다른 실시예를 나타낸다. 상기 칩 베이스 플레이트(56)의 상기 할로우(30)내에 상기 냉음극 칩(33)을 적재할 때 할로우(30)의 바닥에 접착제(Paste)(58)를 바르고 상기 냉음극 칩(33)을 적재하게 되는데, 이때 접착제(58)가 균일하게 도포되지 않고 한쪽으로 모이거나 하면 적재된 상기 냉음극 칩(33)이 상기 전자총의 축 방향에 대해서 직각이 되지 못하고 기울어지게 된다. 이렇게 제조된 냉음극 전자총은 전자빔의 형상이 왜곡되어 음극선관의 화질을 저하시키고 만다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 수단으로 도 13에서와 같이 냉음극 칩(33)이 적재될 할로우(30) 바닥면에 홀(Hole)(52)을 소정의 깊이로 형성시킨 후 접착제(58)를 도포하게 되면 상기 냉음극 칩(33)이 적재될 때, 필요 이상의 양이 도포된 접착제(58)는 상기 냉음극 칩(41)의 바닥면에 밀려 가장자리에서 모이지 않고 이 작은 홀(57)들 속으로 흘러 들어가게 되고 냉음극 칩(33)이 전자총의 축 방향에 수직으로 적재될 수 있기 때문에 상기에서와 같은 문제는 발생하지 않을 것이다.

이상과 같은 본 발명은 칼라 음극선관에서, 종래의 열음극 전자총을 대신하여 냉음극을 채용한 전자총을 구현하는데에 있어, 공정을 단순화하고 조립 정밀도를 향상시키는 동시에 공정변수에 의한 냉음극 소자의 파괴를 방지함으로써 냉음극 전자총의 비용 절감 및 품위 향상에 기여할 수 있다.

Claims (8)

1. 전자빔을 방사하는 복수개의 전자방사수단과, 상기 전자빔의 방사량 조절을 위한 제어전극과 가속전극으로 구성된 삼극부와, 상기 전자빔을 집속시키기 위한 주정전 렌즈를 형성하는 다수의 집속전극과, 양극으로 구성되어 있는 음극선관의 인라인용 전자총에 있어서,

   상기 전자방사수단으로 전계 방출을 이용하는 냉음극을 이용하고, 상기 냉음극을 상기 인라인용 전자총에 탑재하기 위해서,

   플레이트상에 음극선관의 R, G, B 형광체에 대응하는 냉음극 칩(FEA Chip)을 적재하고, 상기 플레이트에는 각 냉음극 칩에 전압을 인가하기 위한 리드선을 구비하고, 상기 플레이트는 이 플레이트를 지지함과 아울러 전자총에 체결 고정되는 플레이트 서포터로 구성된 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총에서 음극의 탑재구조.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어전극의 제 1 그리드전극과 상기 플레이트 서포터가 일체형으로 구성된 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총에서 음극의 탑재 구조.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트는 절연체 재질인 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총에서 음극의 탑재구조.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트는 금속 재질이고, 상기 리드선의 일부분에 외부 절연층이 구비된 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총에서 음극의 탑재구조.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 리드선과 상기 플레이트와의 접촉부분에 절연체가 충진된 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총에서 음극의 탑재구조.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트의 상면에는 소정의 가공을 통하여 냉음극 칩의 크기에 상응하게 할로우(Hollow)를 형성시켜 상기 할로우에 냉음극 칩을 적재한 후 상기 리드선에 결선하여 상기 전자총 전극들의 공경의 중심과 상기 냉음극 칩에 형성된 전자원의 중심이 자동으로 정렬되도록 한 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총에서 음극의 탑재구조.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제어전극의 제 1 그리드전극의 공경 주위부는 냉음극 칩 방향으로 후퇴시키고 상기 플레이트에 구비된 리드선이 돌출된 부위는 전자빔 진행방향으로 돌출시킨 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총에서 음극의 탑재구조.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 플레이트의 상기 할로우내에 소정 깊이의 홀(hole)들을 형성시킨 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총에서 음극의 탑재구조.