KR20020020506A - 전자관용 금속 음극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자관용 금속 음극에 관한 것으로서, Ir-Ce 금속 음극, Pt-Ba 금속 음극, 또는 Pd-Ba 금속 음극의 표면에 Os, Os-Ru 합금, 또는 Ir 등의 물질이 이온 주입된 형태의 금속 음극을 제공한다. 본 발명에 따른 금속 음극은 이온 주입된 제 3, 4의 원소로 인해 일함수가 크게 낮아져 동작온도가 낮아지고 전자방출능력이 우수하므로 대형관 및 고정세 전자관 등에 있어서 요구되는 장수명 및 고화질의 문제점을 해결할 수 있다.

Description

전자관용 금속 음극{Metal cathode for electron tube}

본 발명은 전자관용 금속 음극에 관한 것으로, 상세하게는 텔레비전 브라운관, 촬상관 등의 전자관에 이용될 수 있는, 전자방출능력이 크고 수명이 향상된 전자관용 열전자 방출 금속 음극에 관한 것이다.

종래 전자관용 열전자 방출 음극에는 니켈(Ni)을 주성분으로 하고 규소(Si), 마그네슘(Mg) 등을 환원제로서 미량 함유시킨 금속 기재(base metal) 위에 바륨을 주성분으로 하는 알카리토류 금속 탄산염층, 바람직하게는 (Ba, Sr, Ca)CO₃로 구성된 삼원 탄산염, 또는 (Ba, Sr)CO₃로 구성된 이원 탄산염으로부터 전환된 산화물로 된 전자방출물질층을 구비한 소위 "산화물 음극"이 널리 사용되었다. 이러한 산화물 음극은 일함수(work function)가 낮아서 비교적 낮은 온도(700-800℃)에서 사용할 수 있다는 장점이 있는 반면, 전자방출능력에 한계가 있어 1A/㎠ 이상의 전류밀도를 방출하기 어려울 뿐만 아니라, 재료가 반도체이고 전기 저항이 크기 때문에 전자방출 밀도를 높이면 주울(Joule)열에 의한 자기가열로 인해 재료가 증발되거나 용융되어 음극이 열화되거나, 장기간 사용에 의해 금속기재와 산화물층 사이에 중간 저항층이 형성되어 수명이 단축되는 단점이 있다.

또한, 산화물 음극은 깨지기 쉽고 장착되는 금속기재에 대한 접착력이 낮으므로 이러한 타입의 음극을 구비한 음극선 장치의 수명은 짧아지게 된다. 예를 들어, 칼라 수상관의 3개 산화물 음극중 하나만 손상되어도 비싼 전체 장치가 고장나게 되는 것이다.

이러한 이유 때문에 전술한 산화물 음극의 단점이 없는 고성능 금속 음극을 음극선 장치에 적용하려는 시도가 활기를 띄게 되었다.

예를 들어, 란타늄 헥사보라이드(LaB₆)에 기초한 금속 음극은 산화물 음극에 비하여 강도가 크고 더 높은 전자방출능력을 갖는 것으로 알려져 있는데, 헥사보라이드의 단결정 음극은 10A/㎠ 정도의 높은 전류밀도를 방출할 수 있다. 그러나, 란타늄 헥사보라이드 음극은 수명이 짧기 때문에 음극 유니트의 대체가 가능한 일부 진공전자장치에만 사용되어 왔다. 란타늄 헥사보라이드 음극의 수명이 짧은 이유는 히이터의 구성물질과의 높은 반응성에 기인한 것으로서, 란타늄 헥사보라이드가 히이터의 구성물질, 예를 들어 텅스텐과 접촉하여 많은 깨지기 쉬운 화합물을 형성하기 때문이다.

미국 특허 제4137476호에는 이러한 반응 가능성을 제거하기 위하여 란타늄 헥사보라이드와 히이터의 바디(body) 사이에 다른 배리어(barrier)층을 형성시킨음극이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법에 의하면 음극 생산비용이 상당히 증가하며 음극의 수명을 크게 개선하기도 어렵다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여 기존의 산화물 음극이나 금속 음극보다 전자방출능력이 크며 수명이 길어, 대형관 및 고정세 전자관 등에 사용될 수 있는 전자관용 금속 음극을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 에미터를 구비한 브라운관용 음극의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 오스뮴, 오스뮴-루테늄 합금, 및 이리듐으로 구성된 군으로부터 선택되는 한가지 원소가 표면에 이온 주입된 금속 음극을 제공한다.

본 발명에 따른 금속 음극에 있어서, 상기 금속 음극은 Pt 또는 Pd 85 내지 99.5 중량%와 Ba 0.5 내지 15 중량%로 이루어진 합금 형태인 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 금속 음극은, Ir 80 내지 99 중량%, Ce 1 내지 20 중량%의 합금 형태일 수 있다.

본 발명의 금속 음극은, 텅스텐 또는 레늄 중 어느 하나 이상의 금속을 0.5 내지 15 중량% 더 포함할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 금속 음극 및 그 제조방법을 상세하게 설명하고자 한다.

Pt, Pd, Ir 등의 백금족 원소와 Ba의 합금 에미터들은마그네트론(magnetron)이나 TWT(Traveling Wave Tube), BWT(Backward Wave Tube) 등의 음극으로 사용되어 왔는데, 열전자 방출 음극이 아니라 1차전자가 재료에 충돌하여 그 에너지로 2차전자가 방출되는 2차전자 방출 음극으로 이용되었다. 종래의 마그네트론에서 2차전자 방출 음극으로 사용되는 백금족 원소-Ba의 합금 에미터에 있어서, Ba 함유량은 1 내지 2중량%이며 수명이 1000시간 정도로 짧아 전자관용 열전자 방출 음극으로 사용하기는 불가능하다.

본 발명에서는 Pt-Ba계, Pd-Ba계, 및 Ir-Ce계의 금속 음극 표면에 오스뮴, 오스뮴-루테늄 합금, 또는 이리듐 등 제 3, 4의 원소를 이온 주입함으로써 일함수가 낮아져 전자방출능력이 크고 균일하며 수명 또한 향상된 금속 음극을 전자관의 열전자 방출물질로 사용하는데 특징이 있다.

본 발명의 금속 음극에 있어서, Pt-Ba, 또는 Pd-Ba 금속 음극은 바륨을 0.5 내지 15 중량% 포함하는 것이 바람직하다. 바륨 금속의 함량이 0.5 중량% 미만이면 활성성분인 바륨 금속의 결핍으로 인해 음극의 수명특성이 저하되며, 15 중량%를 초과하면 슬럼프가 발생하거나 전자방출이 불안정하게 될 뿐만 아니라 바륨이 과도하게 증발되는 등의 문제점이 있다.

또한 본 발명의 Ir-Ce 금속 음극에서 Ce의 함량은 1 내지 20 중량%인 것이 바람직하다. Ir-Ce계 금속 음극에서는 Ce가 활성화성분이며 이 성분이 1중량%이하이면 음극의 수명이 나빠지게 되고, 20중량%이상이면 슬럼프가 생기거나 전자방출 특성이 불안해지고, Ir₅Ce를 형성하지 못하고 Ir₂Ce를 형성하기 때문이다.

본 발명의 Pt-Ba, Pd-Ba, 및 Ir-Ce 금속 음극은 전자방출 능력을 균일하게하고 음극의 수명을 높이기 위해 텅스텐 및/또는 레늄을 더 포함할 수 있다. 텅스텐 및/또는 레늄을 합금에 도입하면 합금의 융점을 높일 수 있으므로 음극의 기계적 성질이 증가한다. 이러한 금속의 함량은 0.5 내지 15 중량%가 바람직한데, 0.5 중량% 미만이면 합금의 융점이 높지 않게 되므로 음극의 고온 작동이 곤란하고 수명특성을 향상시키는 효과가 미미하며, 15 중량%를 초과하면 음극의 전자방출 능력 및 가소성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 메탈 음극은 상기 금속 음극의 표면에, 오스뮴, 오스뮴-루테늄 합금, 또는 이리듐을 이온 주입하는 것을 특징으로 한다. 오스뮴, 오스뮴-루테늄 합금, 또는 이리듐 등은 금속 음극의 일함수를 낮추는 역할을 한다. 오스뮴-루테늄 합금의 경우, 루테늄 함량은 1 내지 10 중량%인 것이 바람직한데, 그 함량이 1 중량% 미만이면, 루테늄 첨가의 효과가 거의 없는 문제점이 있고, 그 함량이 10 중량%를 초과하면 일함수 감소의 효가가 떨어지는 문제점이 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 금속 음극의 제조방법을 예를 들어 상세히 설명한다.

본 발명의 금속 음극 중, Pt-Ba 금속 음극의 경우, 먼저 Pt, Ba 및 고융점 금속을 아크로에 넣는다. Pt와 Ba은 융점 차이가 크므로 순간적으로 금속을 융해시킬 수 있는 아크로를 사용하는 것이 바람직하며 Ba은 증발하기 쉬우므로 최종 합금에 함유될 함량보다 1 내지 10 중량%를 더 넣어 Ba의 함량을 조절하도록 한다. 이어서, 아크로 내부를 진공 상태로 유지한 후 Ar 가스와 같은 불활성 기체를 주입한다. 그런 다음, 아크로에 전압을 인가하여 짧은 시간 내에 Pt, Ba 및 고융점 금속을 융해시킨다. 이 때, 텅스텐과 같은 금속봉으로 잘 저어주어 세가지 금속의 합금화가 잘 이루어지도록 한다. Pt와 Ba은 밀도차가 많이 나므로 이들 금속으로 이루어진 균일한 합금을 얻기 어렵다. 따라서, 상기 융해 과정 및 응고과정을 수회 반복 실시하면 화학적 및 미세구조적 균일성이 향상된 본 발명에 따른 합금을 제조할 수 있다.

이어서, 아크로에서 제조한 합금을 이온 주입기에 넣어 오스뮴, 오스뮴-루테늄, 또는 이리듐 등을 합금 표면에 이온주입하고, 이온주입된 에미터를 전자관의 음극 구조에 적합하도록 절단 또는 성형한 후 음극 구조체에 장착한다.

본 발명은 하기의 실시예를 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실시예가 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.

실시예 1

먼저, 잉고트 형태의 Ir 8.639g, Ce 1.263g 및 텅스텐 0.306g을 아크로에 넣는다. 이어서, 아크로 내부를 진공 상태로 유지한 후 Ar 가스를 주입하였다. 그런 다음, 아크로에 전압을 인가하여 Ir, Ce 및 W 금속을 융해시키고 텅스텐 봉으로 잘 저어주어 세가지 금속의 합금화가 잘 이루어지도록 하였다. 어렇게 얻은 잉고트를 상기 융해 과정을 3회 반복하여 합금의 화학적 및 미세구조적 균일성이 향상되도록 하였고, 최종적으로 Ir 84.6중량%, Ce 12.4중량% 및 W 3중량%로 이루어진 3원합금을 제조하였다.

이렇게 제조된 잉고트를 와이어 커팅 방법으로 0.8 x 0.8 x 0.2 mm 크기의 금속 에미터로 커팅을 하였다. 커팅된 에미터를 일반적으로 쓰여지고 있는 이온주입기에 넣고, 오스뮴을 에미터 표면에 이온 주입하여 표면에 1000내지 20000Å의 두께를 형성하였다.

이온 주입된 에미터를 음극 구조에 적합하도록 절단, 성형한 후 음극 구조체를 제작하였다.

실시예 2

잉고트 형태의 Pt 3.635g, Ba 0.327g 및 W 0.123g을 사용했다는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 구조체를 제작하였다.

실시예 3

먼저, 잉고트태의 Pd 3.635g, Ba 0.327g 및 W 0.123g을 아크로에 넣는다. 이어서, 아크로 내부를 진공 상태로 유지한 후 Ar 가스를 주입하였다. 그런 다음, 아크로에 전압을 인가하여 Pd, Ba 및 W 금속을 융해시키고 텅스텐 봉으로 잘 저어주어 세가지 금속의 합금화가 잘 이루어지도록 하였다. 어렇게 얻은 잉고트를 상기 융해 과정을 3회 반복하여 합금의 화학적 및 미세구조적 균일성이 향상되도록 하였고, 최종적으로 Pd 89중량%, Ba 8중량% 및 W 3중량%로 이루어진 3원합금을 제조하였다.

이렇게 제조된 잉고트를 와이어 커팅 방법으로 0.8 x 0.8 x 0.2 mm 크기의 금속 에미터로 커팅을 하였다. 이를 음극 구조에 적합하도록 절단, 성형한 후 음극 구조체를 제작하였다.

제작된 음극 구조체를 일반적으로 쓰여지고 있는 이온 주입기에 넣고, 오스뮴을 에미터 표면에 이온 주입하여 표면에 1000내지 20000Å의 두께를 형성하였다.

이어서, 상기 실시예에 따라 제조한 금속 음극의 전자방출능력 및 일함수(동작온도), 수명 특성을 측정한 결과, 상기 방법에 의해 일함수가 0.5eV 감소하였고, 이는 곧 동작온도가 50℃이상 감소함을 의미하여 수명이 약 1.5배 가량 증가함을 의미하는 것이었다.

본 발명에 따른 금속 음극은 이온주입되는 제 3, 4의 원소에 의해 일함수가 낮아질 뿐만 아니라 이온주입에 의한 원자구조의 변형에 의해 일함수가 낮아지는 효과가 부가적으로 나타난다. 따라서 동작온도를 낮출 수 있고, 전자방출 능력이 향상된다. 또한 이온주입 과정 중 금속 음극 표면이 클리닝 됨으로써 전자방출 특성상 산포가 감소하는 효과를 거둘 수 있다.

Claims (4)

1. 오스뮴, 오스뮴-루테늄 합금, 및 이리듐으로 구성된 군으로부터 선택되는 한가지 물질이 표면에 이온 주입된 금속 음극.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 음극은 Pt 또는 Pd 85 내지 99.5 중량%, Ba 0.5 내지 15중량%로 이루어진 합금 형태인 것을 특징으로 하는 금속 음극.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 음극은 Ir 80 내지 99 중량%, Ce 1 내지 20 중량%로 이루어진 합금 형태인 것을 특징으로 하는 금속 음극.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 텅스텐 또는 레늄 중 어느 하나 이상의 금속을 0.5 내지 15 중량% 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 음극.