KR20020017592A - 음극선관용 전자총의 음극의 탑재구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음극선관용 전자총에서 전자를 방출시키는 음극(Cathode)의 탑재 구조에 관한 것이다.

본 발명은, 전자빔을 방사하는 복수개의 전자방사 수단과, 상기 전자빔의 방사량 조절을 위한 제어전극과 가속전극으로 구성된 삼극부와 상기 전자빔을 집속시키기 위한 주정전 렌즈를 형성하는 다수의 집속전극과 양극으로 구성되어 있는 인라인용 전자총에 있어서, 상기 전자방사 수단으로 전계 방출을 이용하는 냉음극을 이용하되, 상기 냉음극을 상기 인라인용 전자총에 탑재하는 수단에 있어서,

플레이트 상에 음극선관의 R, G, B 형광체에 대응하는 냉음극 칩(FEA Chip)을 적재하고, 상기 플레이트와 제 1 그리드 전극 사이에는 상기 냉음극 칩의 각 전극 패드와 외부 전압 인가선과의 연결을 위하여 상면과 하면에 전극이 형성된 세라믹 플레이트가 위치되며, 상기 세라믹 플레이트의 상면과 하면에 형성된 전극에 의해 냉음극상의 전극과 전자총에 전압을 인가하는 단자를 통한 결선이 체결된 것을 특징으로 하는 것으로서, 전자총의 제조 공정을 단순화하고, 조립 정밀도를 향상시키는 동시에 전자총의 제조원가 절감 및 품위가 획기적으로 향상되며, 열에 의한 전자총의 불안정한 특성이 발생되지 않고, 전력소모가 현저하게 줄어들게 되는 잇점을 갖는 기술임.

Description

음극선관용 전자총의 음극의 탑재구조{Structure for Cathode Lodeing 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, 상기 패널의 내면에 근접되게 설치되어 전자총에서 발사된 전자빔의 색선별 역할을 하는 새도우 마스크(2)와 상기 패널의 후방에 고정된 깔때기 형상의 펀넬(3)과 상기 펀넬의 네크부(3a)에 봉입되어 R, G, B(적, 녹, 청) 3개의 전자빔(4)을 형광막(5) 측으로 주사하는 전자총(6)과 상기 네크부에 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 2을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 전자총(6)은 히터(미도시)가 각각 내장되고, 상호 독립되게 수평으로 나란히 배치된 3개의 음극(8)과 상기 음극으로 부터 일정 간격이 유지되게 배치되어 음극에서 발생되는 열전자를 제어하는 제 1 그리드 전극(9)과 상기 제 1 그리드 전극으로 부터 일정 간격이 유지되게 배치되어 음극의 전자 방사물질면(미도시)에 모여 있는 열전자를 당겨내어 가속시키는 역할을 하는 제 2 그리드 전극(10)과 상기 제 2 그리드 전극에 근접되게 설치되어 제 1, 2 그리드 전극가 함께 빔 형성 영역을 형성하는 제 3 그리드전극(11)과 상기 제 3 그리드전극과 함께 정전렌즈를 형성하는 제 4그리드전극(12) 등으로 이들이 한 쌍의 글라스(14)에 의해 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 그리드 전극에는 25000 ~ 35000V의 고전압이 인가되고,접속전극인 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 인가받아 발열하면 상기 발열에 의해 음극(8)에서 전자가 방출되는데, 이렇게 방출되는 전자빔(4)은 제어전극인 제 1 그리드 전극(9), 가속전극인 제 2 그리드전극(10) 및 집속전극인 제 3 그리드 전극(11)으로 구성되는 빔 형성 영역(Beam forming region)에서 적절히 제어 및 가속된다.

그 후, 전자빔은 제 3 그리드 전극(11)과 제 4 그리드 전극(12)에 각각 인가되는 전압차에 의해 형성되는 정전렌즈(Electirc lens)에 의해 집속 및 가속된다.

전자총의 주렌즈(Main lens)인 상기 정전렌즈를 통과한 전자빔은 네크부(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 새도우마스크(9)를 통과하면서 색선별되어 형광막(5)에 충돌하여 형광체를 발광시키게 되므로 화면이 재현된다.

상기한 종래 기술에서 형광막에 에너지를 전달하여 빛을 내도록 작용하는 전자빔(4)을 형성시키기 위하여 현재까지는 주로 열음극을 사용하여 왔다.

도 3은 상기 열음극(8)의 개략적인 구조를 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 열음극에서 일반적으로 사용되는 에미터(15)는 주로 BaCo₃, SrCo₃, CaCo₃의 복합 탄산염 성분으로 주성분이 Ni이고,Si과 Mg이 극미량 첨가된 베이스 메탈(Base Metal) 또는 캡(Cap, 16) 위에 스프레이 방법으로 도포되어 형성된다.

이러한 복합 탄산염은 공정 중에 열활성화 단계를 통하여 BaO,SrO, CaO의 산화물로 바뀌게 되고, 이러한 이유로 열음극을 일반적으로 산화물 음극이라고도 한다.

상기 복합 산화물은 전류활성화 단계를 통하여 베이스 메탈 중에 포함되어 있는 Si또는 Mg과의 환원 반응을 통하여 Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺이온이 되며, 전자를 내놓게 되고, 이 과정에서 MgO 또는 Ba₂SiO₄와 같은 반응물질을 생성하게 된다.

이러한 반응물질은 열음극 동작 중에 계속되어 에미터(15)와 베이스 메탈(16) 사이에 적층되고, 결국에는 양단간의 전자의 흐름을 차단하게 되어 열음극의 동작을 저해하게 된다.

도 3에서 히터(19)는 열음극(8)의 동작에 필요한 열을 발생하게 하는데 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 되는 것이다.

슬리브(17)와 홀더(18)는 히터에서 발생된 열이 외부로 손실되는 것을 막고, 내부의 열복사를 최대화 하는 기능을 한다.

상기한 종래 기술의 일반적인 칼라 음극선관의 전자총에 채용되고 있는 열음극은 다음과 같은 문제점들을 나타내고 있다.

우선, 상기 열음극에서 전자가 방출되기까지는 히터(19)에 전압이 인가된 후 발생된 열이 에미터(15)에 전달되어야 하는데 이는 일정 정도의 시간을 요구한다.

즉 칼라음극선관에 외부전원이 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 ~ 10W의 전력이 소모되는데 이는 전체 음극선관의 전력 소모 중에서 약 10％ 내외를 차지하고 있다. 만약 열을 필요로 하지 않는 음극을 음극선관에 채용하게 되면 이러한 손실을 막을 수 있어, 좀 더 환경 친화적인 제품을 만들 수 있게 된다.

상기의 도 2에서 설명하였듯이 이 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 비드글라스 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 전극 공경의 정렬 상태가 흐트러져 결과적으로 음극선관의 전기적 특성(BKGD, Overshoot, 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 동작 중에 히터의 높은 열에 의해 차츰 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 중간층9(MgO, Ba₂SiO₄)에 의해 음극선관의 수명이 다하게 되는 문제를 나타내고 있다.

지금까지 보고된 열음극의 경우, 전류밀도가 약 0.5A/㎠ ~ 10A/㎠이며, 일반적인 산화물 음극의 경우 전류밀도가 약 0.5A/㎠로서 고해상도 모니터용 음극선관을 구현하기에는 충분하지 않으며, 함침형 음극과 같이 약 10A/㎠의 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 특수한 모델이 아니고는 사용하기가 어려운 단점이 있다.

또한 기존 열음극에 있어서, 산화물 음극으로부터 제 1 그리드 공경까지의 거리(K-GI간격)는 음극으로부터 방출되는 전류의 양을 제어하는데 있어 가장 큰 영향을 주는 요인이다.

다시 말하자면, 음극으로부터 전자가 방출되지 않는 경계전압을 컷-오프 전압(Ekco)이라고 하는데 이 전압은 상기 K-GI 거리와 반비례 관계에 있으며, 일반적인 음극선관에서 안정적이고, 균일한 화질을 얻기 위해서는 이 K-GI 거리를 R,G,B, 각각에 대해서 매우 정밀하게 조절, 설정해 주어야 한다.

일반적으로 음극선관의 제조공정에서 K-GI거리를 설정하여 주는 공정을 스판-셋(Span-Set)공정이라고 하는데, 도 4를 통하여 종래 일반적인 스판-셋 방법에 대하여 살펴 보기로 한다. 도 4의 a도는 전자총부, b도는 공정 시스템도이다.

일반적으로 전자총의 최종 전극측으로부터 가는 노즐(70)을 제 1 그리드 전극(9)으로 밀어 넣어 제 1 그리드 전극(9)의 전자빔 통과공에 노즐(70)이 걸리도록 하고, 이 노즐로부터 일정 압력의 공기압을 내보내면서, 음극(8)과 제 1 그리드전극(9) 사이의 거리를 가변시키며, 이때 발생되는 공기압의 변화를 전기적으로 변화시켜 일정값이 되면 음극(8)을 용접 고정시킴으로써, 전극과의 간격(D)을 셋팅하게 된다.

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

그 첫째가 외부의 요인에 공정이 영향을 받기가 쉽다는 점이다.

외부에서 노즐(70)측으로 인가되는 공기압은 항상 일정하여야 하는데, 현실적으로 이를 실현하기는 어려우며, 이러한 공기합의 미세한 변화가 음극(8)과 제 1 그리드전극(9)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 △Ekco라고 하며, 이 값이 일정 수준 이상으로 높아지면 불량 음극선관으로 처리된다.

셋째로 종래의 스판-셋 방법에서는 노즐(70)이 제 1 그리드전극(9) 또는 제 2 그리드전극(10)에 직접 접촉하게 되는데 이러한 전극들의 두께는 약 0.1㎜ 내외로 매우 얇기 때문에 노즐(70)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 야기 시킬 수 있게 된다.

넷째는 음극(8)이 서포트 아일렛(8') 내부에 삽입되어 스판-셋 작업시에

음극(8)의 하부(홀더부)와 아일렛(8')의 하부가 용접이 되는데, 이 때 음극의 축방향 중심과 아일렛의 축방향 중심이 조금이라도 어긋나면 음극(8)이 축방향과 일치되지 않고, 기울어지게 된다는 것이다. 이렇게 제조된 전자총을 음극선관에 실장하여 구동시키면, 음극(8)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 악영향을 미치므로 화면이 선명하지 않고, 흐릿해지는 등의 화상 품위를 저하시키게 된다.

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

도 5는 일반적인 냉음극(80)의 단면도를 나타낸 것이다.

냉음극에도 여러가지 종류가 있는데, 일반적으로 2극관인 다이오드(Diode)구조와 3극관인 트라이오드(Triode)구조, 그리고 4극관인 테트로드(Tetrode)구조로 나뉘어진다.

본 발명에 사용되는 냉음극은 상기 구조의 어느 구조라도 전계 방출에 의하여 전자를 생성할 수 있는 구조라면 적용이 가능하다.

이하 설명이나 도면에서는 트라이오드 구조 또는 테트로드구조를 예를 들어 설명하도록 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 일반적으로 냉음극(80)은 기판(24), 캐소드전극(25), 절연층(26), 게이트전극(27), 캐비티(Cavity, 28)와 에미터(29)로구성된다.

도 6에 동일한 구조의 냉음극에 대한 사시도를 나타내었다.

그림에서와 같이, 게이트전극(27)과 캐소드전극(25) 사이에 바이어스를 인가하게 되면 양 전극 사이에 전계(Electric Field)가 발생되고, 이 전계의 의하여 에미터의 선단에서 터널링(Tunneling)에 의한 진공 중으로의 전자방출이 일어나게 된다.

이 때 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 에미터로부터 방출되는 전자의 양이 증가하게 된다.

도 7은 상기에서 설명된 일반적인 냉음극의 제조 방법을 순차적으로 도시한 것이다.

간단히 설명하자면, 기판(24) 위에 캐소드전극(25)을 증착(a)한 후 일정한 패턴을 형성(b)하고, 그 위에 에미터(5)의 안정도를 향상시키기 위한 저항층(25-1)과 절연층(26), 게이트전극(27)을 증착(c)한다.

이 후 게이트전극(27)과 절연층에 일정한 지름과 깊이를 갖는 캐비티(Cavity, 28)를 형성(d)시킨 후 캐비티 내에는 유입되지 않도록 경사를 주어 희생층(27-1)을 증착(e)한다.

그리고 수직방향으로 에미터 물질을 증착(f)하게 되면, 캐비티 내에 에미터(5)가 원추형으로 형성되고, 최종적으로 희생층을 제거하면 일반적인 냉음극구조가 완성(g)되게 된다.

일반적으로 냉음극의 동작을 위해서는 상기와 같은 에미터 구조가 수백 ~ 수만개가 어레이 형태로 형성되며, 이러한 구조를 전계 방출 에미터 어레이(FEA;Field Emitter Array)라고도 하는데 이제부터의 설명에서는 이러한 소자를 냉음극 칩(81) 또는 FEA Chip이라고 칭한다.

상기에서 설명한 냉음극의 작동원리와 제조방법은 일반적으로 널리 알려져 있는 기술이다.

그러나, 이러한 냉음극은 전계 발광 다스플레이(FED)나 주사 전자 현미경(SEM; Scannig Electron Microscopy) 등에서는 많이 사용되고 있지만, 상용화된 음극선관의 전자원으로서는 상용화된 예가 없다.

이의 원인으로서는 여러가지가 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 8은 열음극을 채용한 음극선관의 전자총(6)(a)과 냉음극을 채용한 음극선관의 전자총(6')(b)에 대한 횡단면도와 소켓(Socket)에 대하여 비교하기 위한 구성 비교도이다.

열음극이나 냉음극을 채용한 전자총에 있어 그리드 전극들의 형상이나 디멘젼(Dimension)은 동일하다고 가정한다. 물론 그림에서도 나타나는 바와 같이, 열음극과 냉음극에서의 방출특성이 다르기 때문에 빔 형성 영역이나 주렌즈부의 형상이 달라져야 할 것으로 예상되지만 이는 본 특허의 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 경우에는 히터가 필요없으므로 두 핀이 남게되는데 이는 냉음극 자체에 형성되어 있는 게이트 전극과 포커스 전극에 전압을 인가하기 위하여 사용되게 된다.

즉 열음극이나 냉음극을 채용한 전자총은 모두 동일한 수의 스템핀을 필요로 한다.

이하에서는 냉음극을 전자총에 탑재하기 위한 수단으로 고안된 종래의 발명에 대하여 설명한다.

도 9는 종래 기술에 의한 냉음극 칩(Chip)(81) 지지를 위한 베이스 플레이트(31) 구조를 보이는 사시도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 칩 베이스 플레이트에(31)는 냉음극의 게이트 전극 패드(Pad, 47) 또는 포커스 전극 패드(49)와 연결하기 위한 리드선(Lead Wir, 32)형성되어 있다.

상기 칩 베이스 플레이트(31)의 재질은 금속, 또는 절연체로 되어 있으며, 중앙부에는 앞에서 설명한 상기 냉음극 칩(81)을 적재하기에 유리하도록 냉음극 칩의 크기에 맞도록 형성된 할로우(Hallow, 30)가 소정의 깊이로 형성되어 있다.

상기 할로우(30)를 형성시킬 때 칩 베이스 플레이트(31)의 소정의 위치에 정렬이 되도록 형성하게 되면, 상기 할로우(30)에 상기 냉음극 칩(81)을 적재하고, 상기 칩 베이스 플레이트(31)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 잇점이 있다.

도 10에 종래 기술의 탑재방법에 대하여 보다 자세하게 나타내고 이의 문제점에 관하여 살펴 본다.

도 10의 (a)는 종래 기술에 의한 냉음극 칩의 횡단면도이고, (b)는 종단면도, (c)는 평면도, (d)는 (c)도의 A-A선 단면도이다.

도 9에서 상술한 바와 같이, 칩 베이스 플레이트(31)에는 리드선(32)과 할로우(30)가 형성되어 있고, 상기 할로우에는 상기 냉음극 칩이 적재되어 상기 각 리드선(32)과 상기 냉음극 칩(41)위에 형성된 상기 게이트 전극 패드(47), 그리고, 상기 포커스 전극 패드(49)가 각각 전기적으로 연결되어 있다.

이 때, 상기 각 전극들의 패드(47, 49)와 리드선(32)을 연결하기 위한 수단으로는 일반적인 와이어 본딩(Wire Bonding, 50)방법을 사용할 수 있다.

상기 냉음극 칩(81)에서 실제 전자 방출 영역인 A-A'부에 대한 단면을 살펴 보면, 상기에서 설명한 일반적인 냉음극의 구조와 동일하며, 이는 게이트전극과 포커스전극이 동일한 면상에 형성된 테트로드구조로 되어 있다.

도 10에서 횡단면(a)과 종단면(b)이 도시된 바와 같이, 상기 냉음극 칩(41)이 상기 할로우(30)에 적재되고, 상기 리드선(32)과 적절하게 결선되어 있는 상기 칩 베이스 플레이트(31)는 이를 지지할 수 있는 상기 칩 베이스 플레이트 서포터(46)와 체결되고, 상기 전자총의 각각의 전극들과 비드 글라스(14)에 의하여 고정된다.

또한 상기 냉음극 칩(81)이 비드 글라스(14)와 상기 전자총의 각 전극들을 고정시키는 비딩 공정을 겪게 되면, 높은 공정 온도에 의하여 상기 에미터가 산화되거나, 상기 냉음극 칩(81)과 리드선(32)과의 결선부가 떨어지는 등의 문제가 발생할 수 있으므로 상기 칩 베이스 플레이트 서포터(46)와 상기 전자총의 각 전극들을 비드 글라스로 고정시킨 후에 최종적으로 냉음극 칩(81)이 적재된 칩 베이스 플레이트(31)를 레이져 용접 등의 방법으로 칩 베이스 플레이트 서포터(46)에 체결할 수 있다.

상기한 바와 같이, 종래 기술에 의하여 냉음극 칩을 전자총에 탑재하여 음극선관에 채용하게 되면, 다음과 같은 문제점이 발생하게 된다.

음극에서 방출된 전자는 상기에서 설명하였듯이 전자총의 여러 전극들에 인가된 전압에 의해 생기는 전계에 의하여 가속되고 집속되게 된다.

다시 말해 음극에서 방출된 전자는 제 2 그리드 전극의 전압에 의한 전계가 제 1 그리드 전극의 공경을 통하여 침투되어 가속되게 된다.

이 때 일정 전계 이상이 음극으로 방출된 전자빔에 인가되어야 가속이 시작되는 데 이 임계 전계값은 여러 가지 변수에 의하여 영향을 받게 된다.

그 중에서 주로 영향을 미치는 변수는 제 1 그리드 전극의 공경 크기, 음극과 제 1 그리드 전극 사이의 거리, 음극과 제 2 그리드 전극 사이의 거리 등이다.

제 1 그리드 전극의 공경은 전자빔의 직경 및 스크린에 투영되는 스팟(Spot)의 크기와 밀접한 관련이 있어 임의로 조절하기가 어렵다. 따라서 음극과 제 1 그리드 전극 사이의 거리와 음극과 제 2 그리드 전극 사이의 거리의 조절로 어느 정도 상기 임계 전계의 조절이 가능하다.

그러나, 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, FEA Chip(81) 상에 형성되어 있는 게이트 전극패드(47) 또는 포커스 전극 패드(49) 등과 외부에서 상기 전극들에 전압을 인가시키기 위한 스템핀과의 연결을 위해서는 칩 베이스 플레이트(31)에 리드선(32)이 내장되어 있어야 하며, 또한 상기 패드들과 리드선을 연결하기 위하여 와이어 본딩(50)을 실시하여야 한다.

이는 칩 베이스 플레이트의 구조를 복잡하게 할 뿐만 아니라 여러 개의 가는 리드선이 형성되어 있어 제조 공정 중에도 취급하기가 곤란하게 된다.

더욱이 상기 와이어 본딩(50)은 매우 가는 실선에 의하여 실시되므로 그 자체의 공정이 어려운 작업이 요구되며, 제조시에 또는 동작시에도 단선의 가능성이 높아진다.

또한 상기에서도 설명한 바와 같이, 제 1 그리드 전극과 음극 또는 제 2 그리드 전극과 음극 사이의 거리를 제한없이 설계할 수 있는 것이 동작에 유리한 데, 종래의 기술로 냉음극 칩을 전자총에 적용하게 되면, 이러한 거리 설정에 제약이 생기게 된다.

즉 와이어 본딩(50) 방법에 의하여 칩 상의 각 전극의 패드와 칩 베이스 플레이트(31)의 리드선(32)을 결선하는 데에 있어, 와이어 본딩(50) 작업의 특성상 연결부 사이의 선이 불룩하게 일정 높이를 갖게 된다.

이를 측정하여 보면 각 연결부로부터 약 0.5㎜ 이상의 높이를 갖는 것을 알 수 있는데, 이로 인해 제 1 그리드 전극과 음극 사이의 거리를 "최소 0.5㎜ 이상으로" 설계하여야만 하는 제약이 발생하게 되며, 이는 각 그리드 전극에 인가되는 전압값을 상승시키게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서,

본 발명의 목적은, 칼라음극선관의 전자총에 있어서, 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,

출화시간(Tew) 단축, 저 전력소모, 고 전류밀도 및 수명이 길어지도록 하는 동시에, 전자총 제조 공정을 단순화하고, 조립 정밀도롤 향상시킴과 아울러 전자총의 제조 원가 절감 및 품위가 향상되는 음극선관용 전자총의 음극의 탑재구조을 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 새도우마스크형의 컬러 수상관의 구조도.

도 2는 도 1에 도시된 전자총의 구성도.

도 3은 일반적인 열음극의 단면 구성도.

도 4는 종래 기술에 따른 전자총에서의 스판-셋 모식도로서,

a도는 전자총부,

b도는 공정 시스템도.

도 5는 일반적인 냉음극의 단면 구조도.

도 6은 일반적인 냉음극의 사시도.

도 7은 일반적인 냉음극의 제조 공정도.

도 8은 음극 전자총의 소켓 및 단면도로서,

a도는 열음극 채용 전자총,

b도는 냉음극 채용 전자총.

도 9는 종래 기술에 의한 냉음극 칩 베이스 플레이트의 사시도.

도 10은 종래 기술에 의한 냉음극 칩의 전자총 탑재방법을 보이는 모식도.

도 11은 본 발명에 의한 냉음극 칩 베이스 플레이트의 사시도.

도 12는 본 발명에 의한 냉음극 칩과 외부 단자와의 연결방법을 보이는 모식도.

도 13은 본 발명의 실시를 위한 제 1그리드 전극의 부품 구성도.

도 14는 본 발명에 의한 냉음극 칩의 전자총 탑재 방법을 보이는 모식도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 패널(Panel) 2: 새도우 마스크(Shadow mask)

3: 펀넬(Funnel) 3a:넥크관(Neck Tube)

4; 전자빔(Electron beam) 5: 형광면

6: 전자총(Electron gun) 6': 냉음극 채용 전자총

7: 편향요크(Deflection yoke) 8: 음극

9 ~ 11: 제 1 ~ 제 3 그리드 전극

12: 양극 13: 스템핀

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)

35: 본 발명에 따른 칩 베이스 플레이트

43: 절연체 46: 칩 베이스 플레이트 서포터

47: 게이트 전극 패드 48: 활성영역

49: 포커스 전극 패드 50: 와이어 본딩

51: 포커스 전극 60: 세라믹 플레이트

61: 게이트 전극 패드 연결부 62: 게이트 전극 단자

63: 포커스 전극 패드 연결부 64: 포커스 전극 단자

65: 홀 70: 노즐

80: 냉음극 81: 냉음극 칩

상기한 목적을 달성하는 본 발명에 따른 음극선관용 전자총의 음극의 탑재구조는,

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

상기 전자방사 수단으로 전계 방출을 이용하는 냉음극을 이용하되,

상기 냉음극을 상기 인라인용 전자총에 탑재하는 수단에 있어서,

플레이트 상에 음극선관의 R, G, B 형광체에 대응하는 냉음극 칩(FEA Chip)을 적재하고, 상기 플레이트와 제 1 그리드 전극 사이에는 상기 냉음극 칩의 각 전극 패드와 외부 전압 인가선과의 연결을 위하여 상면과 하면에 전극이 형성된 세라믹 플레이트가 위치되며,

상기 세라믹 플레이트의 상면과 하면에 형성된 전극에 의해 냉음극상의 전극과 전자총에 전압을 인가하는 단자를 통한 결선이 체결된 것을 특징으로 한다.

상기 플레이트의 상면에는 소정의 가공을 통하여 냉음극 칩의 크기에 맞게 할로우를 형성시켜 상기 할로우에 냉음극 칩을 적재하면 상기 전자총 전극들의 공경의 중심과 상기 냉음극 칩에 형성된 전자원의 중심이 자동으로 정렬되도록 함을 특징으로 한다.

또한, 상기 세라믹 플레이트의 중앙에는 각 활성영역과 제 1 그리드 전극의공경들의 중심과 대응하는 동일한 중심위에 형성되는 홀들이 형성되고,

냉음극 칩과 접촉되는 하면과 제 1 그리드 전극과 접촉되는 상면에 각각 전극 패드가 형성되되, 상면과 하면의 전극 패드는 얇은 금속선에 의하여 연결됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 음극선관용 전자총에 대한 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 11은 본 발명에 따른 일 실시예의 음극선관 전자총에 의한 냉음극 칩 베이스 플레이트(35)의 사시도이며, 도 12는 본 발명에 따른 일 실시예의 냉음극 칩(81)과 외부 단자와의 연결방법을 나타내는 모식도이다.

상기 냉음극 칩(81)은 종래 기술에 의한 방법으로 제작된다. 즉 유리 또는 실리콘 등의 기판 위에 캐소드 전극과 절연체, 게이트 전극, 포커스 전극 등이 형성되며, R, G, B 형광체에 대응하기 위한 전계 방출 어레이(FEA)가 일정 영역의 활성영역(Active area)에 형성되어 있다. 이렇게 제작된 냉음극 칩(41)을 도 12에 도시된 칩 베이스 플레이트(35)에 탑재한다.

본 발명의 칩 베이스 플레이트(35)는 종래 기술에서 설명된 칩 베이스 플레이트(31)와 비슷하나 종래 기술에서 냉음극 칩(81) 상의 게이트 또는 포커스 전극 패드와 스템핀과의 연결을 위한 리드선(32)이 구비될 필요가 없어 더욱 간단한 구조를 가지며, 공정 중에 취급하기도 현저히 용이한 구조이다.

본 발명에 따른 칩 베이스 플레이트(35)는 종래 기술에서와 동일하게 중심에는 할로우(30)가 형성되어 있어 냉음극 칩(81)을 탑재하기 용이할 뿐만 아니라 전자총의 전자빔 통과공과 냉음극 칩(81) 상의 활성영역과의 중심 정렬을 가능하게 해준다.

도 12를 통하여 본 발명에 따른 칩 베이스 플레이트(35)에 탑재된 냉음극 칩(81) 상의 각 전극과 외부에서 이 전극들에 전압을 인가하기 위하여 구성된 단자와의 연결방법에 대하여 설명한다.

상기한 바와 같이, 냉음극 칩(81) 상의 중심에는 R, G, B 형광체에 대응하여 전자가 방출되는 활성영역(48)과 게이트 전극 패드(47), 포커스 전극 패드(49)가 구성되어 있다. 본 발명에서는 냉음극 칩(81) 위에 위치되며 냉음극 칩과 게이트, 포커스전극 패드와 외부 전압 인가선과의 연결을 위한 구조체를 제안한다.

상기 구조체는 바람직하게는 세라믹 플레이트(60)로 구성되는데 상기 세라믹 플레이트의 중앙에는 각 활성영역(48)과 제 1 그리드전극의 공경들의 중심과 동일한 중심위치를 갖는 홀(65)이 형성되어 있다.

이 홀(65)은 활성영역(48)에서 방출되는 전자들의 진행을 위해서 형성된다.

상기 세라믹 플레이트(60)에는 기본적으로 냉음극 칩과 접촉되는 하면과 제 1 그리드 전극과 접촉되는 상면에 각각 전극 패드가 형성되어 있으며, 상면과 하면의 전극 패드는 얇은 금속선에 의하여 연결되어 있다.

이 때 세라믹 플레이트(60)의 하면에는 냉음극 칩의 게이트 전극 패드(47)와 포커스 전극 패드(49)에 각각 연결되는 게이트 전극 패드 연결부(61)와 포켜스 전극 패드 연결부(63)가 형성되며, 상기 세라믹 플레이트(60)의 상면에는 외부 전압 인가선과의 연결을 위한 게이트 전극단자(62)와 포커스 전극 단자(64)가 형성된다.

상기의 세라믹 플레이트(60)의 상하면에 형성된 각각의 단자는 얇은 금속선에 의해서 연결되는데, 한 예를 들자면 단자가 위치한 부분에 작은 구멍을 내고 상기 구멍을 통하여 연결하거나, 상기 구멍에 리벳을 설치하여 연결하는 방법 등이 사용될 수 있다.

상기에서 설명된 세라믹 플레이트(60)의 상하면에 형성되는 전극 단자 및 금속선은 증착이나 스크린 프린팅의 방법을 통하여 형성시키거나, 또는 얇은 금속을 붙여서 형성시킬 수 있다.

도 12 및 도 13을 참고하여 본 발명에 의한 냉음극 칩의 전극과 외부 전압 인가 단자와의 연결을 위한 부품인 세라믹 플레이트(60)에 대하여 간단하게 설명한다.

게이트전극단자(62) 또는 포커스전극단자(64)와 외부 전극단자를 연결선을 통하여 연결시 제 1 그리드전극과의 간섭을 피하기 위하여 제 1 그리드 전극에서 전극 단자가 위치한 부분을 도 13의 (b)와 같이 제거하여 사용함이 바람직하다.

도 14에서 본 발명에 의하여 냉음극 칩을 전자총에 탑재하는 방법에 관하여 상세히 설명한다.

도 14의 (a)는 전자총에서 음극이 위치하는 하부의 횡단면을, (b)는 종단면을 나타내고 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 제 1 그리드전극(9), 제 2 그리드 전극(10) 및 도시는 되어 있지 않지만, 제 3 그리드전극 및 제 4 그리드전극 등이 상기에서 설명한 비딩 공정에 의하여 정렬, 고정되어 있다. 상기 제 1 그리드전극의 하면에는 본 발명에 의한 세라믹 플레이트(60)가 위치하고 있다.

또한 상기 세라믹 플레이트의 상면 전극에는 도시한 바와 같이 연결선(61)이 연결되어 외부 전압 인가단자와 결선되어 있다.

이렇게 비딩된 마운트 구조체의 하부로부터 상기에서 설명한 바와 같이, 냉음극 칩(81)이 탑재된 칩 베이스 플레이트(35)를 삽입하고, 레이저용접 등의 방법으로 고정시키면 냉음극 칩이 탑재된 전자총을 얻게 된다.

즉 상기 세라믹 플레이트(60)를 통하여 종래의 기술에서와 같이 와이어 본딩 방법을 사용하지 않고, 냉음극 칩의 전극과 외부 전압 인가단자와의 결선이 수행되기 때문에 설계상의 제약이 없을 뿐만 아니라, 와이어 본딩선의 단선에 의한 제품 불량 발생이 없어 더욱 신뢰성 있는 음극선간 제품을 얻을 수 있는 것이다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 음극선관용 전자총의 음극의 탑재구조는,

열음극 대신에 냉음극을 채용하되, 냉음극 칩의 각 패드와 외부 전압 인가선과의 연결을 위한 구조체로서 상하면에 전극이 형성된 세라믹 플레이트 및 서포터 구조로 하여,

전자총의 제조 공정을 단순화하고, 조립 정밀도를 향상시키는 동시에에 전자총의 제조원가 절감 및 품위가 획기적으로 향상되며, 열에 의한 전자총의 불안정한 특성이 발생되지 않고, 전력소모가 현저하게 줄어들게 되는 동시에 전류밀도도 10A/㎤ 이상으로 높기 때문에 고해상도 모니터용에 사용이 가능하며, 수명 특성도향상되는 등 여러면으로 잇점을 갖는 기술이다.

Claims (3)

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

   상기 전자방사 수단으로 전계 방출을 이용하는 냉음극을 이용하되,

   상기 냉음극을 상기 인라인용 전자총에 탑재하는 수단에 있어서,

   플레이트 상에 음극선관의 R, G, B 형광체에 대응하는 냉음극 칩(FEA Chip)을 적재하고, 상기 플레이트와 제 1 그리드 전극 사이에는 상기 냉음극 칩의 각 전극 패드와 외부 전압 인가선과의 연결을 위하여 상면과 하면에 전극이 형성된 세라믹 플레이트가 위치되며,

   상기 세라믹 플레이트의 상면과 하면에 형성된 전극에 의해 냉음극상의 전극과 전자총에 전압을 인가하는 단자를 통한 결선이 체결된 것을 특징으로 하는 음극선관용 전자총의 탑재구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 플레이트의 상면에는 소정의 가공을 통하여 냉음극 칩의 크기에 맞게 할로우를 형성시켜 상기 할로우에 냉음극 칩을 적재하면 상기 전자총 전극들의 공격의 중심과 상기 냉음극 칩에 형성된 전자원의 중심이 자동으로 정렬되도록 함을 특징으로 하는 음극선관용 전자총의 음극의 탑재구조.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 세라믹 플레이트의 중앙에는 각 활성영역과 제 1 그리드 전극의 공경들의 중심과 대응하는 동일한 중심위에 형성되는 홀들이 형성되고,

   냉음극 칩과 접촉되는 하면과 제 1 그리드 전극과 접촉되는 상면에 각각 전극 패드가 형성되되, 상면과 하면의 전극 패드는 얇은 금속선에 의하여 연결됨을 특징으로 하는 음극선관용 전자총의 음극의 탑재구조.