KR20020063396A - 전자관용 금속 음극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자관용 금속 음극에 관한 것으로서, Mo 재질 또는 Mo를 기반으로 하는 합금 재질의 슬리브와, 상기 슬리브 표면부에 형성된 박막코팅층과, 그리고 상기 박막코팅층 위에 형성된 Pt 또는 Pd를 주성분으로 하는 금속 에미터를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자관용 방열형 금속 음극을 제공한다. 본 발명에 따른 금속 음극은, 슬리브 표면부에 형성된 박막코팅층이 금속 음극의 동작 중 슬리브의 구성원소인 Mo가 에미터로 확산되는 것을 방지하여, 동작시간이 경과함에 따라 일함수가 증가하여 전자방출능력이 감소하는 현상이 발생하지 않아 대형관 및 고정세 전자관 등에 있어서 요구되는 장수명의 조건을 충족시킬 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.

도 1은 금속 음극의 대표적 구조를 나타낸 것으로서, 슬리브(12) 위에 전자를 방출시키는 에미터(11)가 레이저 용접, 확산 접합 등의 방법으로 접합된 특징을 갖는다. 그리고 금속 음극의 동작온도는 1100℃이상의 고온이기 때문에 통상적으로 고온에서의 기계적, 화학적 특성이 우수한 Mo를 슬리브(12)의 재질로서 사용한다. 그런데 이 경우 음극의 동작 중 슬리브(12)의 Mo 성분이 에미터(11)로 확산되어 에미터(11)의 표면으로 이동하게 되는데, 이러한 과정이 지속되어 일함수가 큰Mo(Mo의 일함수는 4.3eV)이 에미터(11) 표면에 존재하는 양이 증가할수록 금속 음극의 일함수(2.2eV)가 지속적으로 증가하여 결과적으로 전자방출 능력과 수명이 감소하는 근원적 문제점이 존재한다.

상기한 산화물 음극과 금속 음극의 문제점을 해결하고자 여러 가지 형태의 금속 음극이 제안되고 있다.

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 형성시킨 음극이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법에 의하면 음극 생산비용이 상당히 증가하며 음극의 수명을 크게 개선하기도 어렵다.

USSR 970159호에는 백금족 원소에 알칼리토금속을 첨가하여 열전자 방출특성을 향상시키고, 이차전자 방출 계수를 증가시킨 금속음극이 제안되어 있다.

USSR 1365948호에는 백금족 원소와 알칼리토금속으로 이루어진 금속합금 음극에 내열성 금속을 첨가하여 전자방출 능력을 향상시키고, 고온에서의 형태안정성 및 가공성을 향상시키고, 비용을 낮춘 금속음극이 제안되어 있다.

USSR 1975520호에는 백금족 원소와 알칼리토금속으로 이루어진 금속 합금의 동작 온도를 감소시키고, 2차 전자방출계수를 증가시키기 위하여 알칼리 금속을 첨가하는 것이 개시되어 있다.

그러나 상기의 어느 것도 앞서 기술한 금속 음극의 문제점, 즉 Mo 성분의 에미터로의 확산이라는 문제점을 해결하지는 못하였다.

따라서, 본 발명의 목적은, 금속 음극 슬리브의 Mo 성분이 에미터로 확산되는 것을 막아 일함수의 증가를 억제함으로써, 기존의 산화물 음극이나 금속 음극보다 전자방출능력이 크고 수명이 길어 대형관 및 고정세 전자관 등에 사용될 수 있는 전자관용 금속 음극을 제공하는데 있다.

도 1은 금속 음극 구조체를 개략적으로 도시한 부분절개도이고,

도 2는 본 발명의 금속 음극의 개략적인 단면도이고,

도 3은 슬리브에 Hf 코팅층을 형성한 금속 음극과 형성하지 않은 금속 음극의 수명 특성을 비교한 그래프이다.

*부호의 간단한 설명

11 ... 에미터 12 ... 히터

15 ... Mo 슬리이브

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,

Mo 재질 또는 Mo를 기반으로 하는 합금 재질의 슬리브와, 상기 슬리브 표면부에 형성된 박막코팅층과, 그리고 상기 박막코팅층 위에 형성된 Pt 또는 Pd를 주성분으로 하는 금속 에미터를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자관용 방열형 금속 음극을 제공한다.

이 때, 상기 Mo를 기반으로 하는 합금은 Mo-Re 합금일 수 있다. 또한 상기 금속 에미터는, Pt 또는 Pd 85 내지 99.5 중량%와 Ba, Ca, 또는 Sr 0.5 내지 15 중량%를 포함하는 이원계 또는 그 이상의 다원소계 합금 형태인 것이 바람직하다.

상기 박막코팅층은 W, Hf, Ir, Ru, Zr, Nb, 및 Rh로 이루어진 군에서 선택되는 한 가지 이상의 원소인 것이 바람직하며, 특히 W 또는 Hf인 것이 바람직하다. 또한 상기 박막코팅층의 두께는 0.5 내지 100㎛인 것이 바람직하다.

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

본 발명은 전자방출능력과 수명을 개선시킨 금속 음극에 관한 것으로, 금속음극 구조체의 금속 에미터가 용접 또는 접합되는 슬리브 표면부에, 슬리브의 구성 원소인 Mo가 에미터로 확산되는 것을 막을 수 있는 고융점 금속을 박막코팅하는 것을 요지로 한다.

본 발명의 금속 음극 구조체에 있어서, 금속 에미터는 Pt 또는 Pd 등의 백금족 원소와 Ba, Ca, 또는 Sr 등의 알칼리토금속을 포함하는 이원계 또는 그 이상의 다원소계 재질일 수 있다. 금속 에미터 중 알칼리토금속은 1 내지 10 중량% 포함하는 것이 바람직한데, 그 함량이 1 중량% 미만이면 전자방출원(Ba, Ca, Sr)의 부족으로 수명이 짧거나 전자방출이 충분히 이루어지지 않는 등의 문제점이 있고, 10 중량%를 초과하면 금속간 화합물(intermetallic compound)의 과다 생성으로 일함수가 증가하는 문제점이 있다.

또한, 본 발명의 기본 개념은 슬리브 표면에 제3의 원소를 박막코팅함으로써 슬리브의 Mo 성분이 에미터로 확산되지 못하도록 하는 장벽(diffusion barrier)으로 작용하게 하는 데 있으므로, 박막코팅 원소의 선정이 무엇보다 중요한데 박막코팅 원소는 아래의 사항이 만족되어야 한다.

1. 고융점 금속 원소로써 금속 음극의 높은 동작 온도(1100℃이상)에 견딜 수 있어야 한다.

2. Mo 슬리브 또는 금속 에미터와 화학 반응을 일으키지 않아야 한다. 특히 에미터의 주성분인 Pt 또는 Pd에 고용되지 않아야 한다. Mo의 경우는 에미터의 주성분인 Pt에 고용될 뿐 아니라 Pt와 화학 반응하여 Pt₃Mo, Pt₃Mo₂와 같은 계면 반응의 부산물을 쉽게 형성하는 단점이 있다.

3. Mo와 열팽창 계수의 차이가 크지 않아 동작 중 슬리브의 변형이 발생하지 않아야 한다.

따라서 위의 조건을 충족시키는 원소가 박막코팅물질로서 바람직한데 고융점 금속원소 중 위의 조건을 모두 만족시키는 원소는 Hf이다. 그 외 금속 원소 중에서 위의 조건을 모두 만족시킬 수는 없으나 박막 코팅만으로도 금속 음극의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 원소로는 W, Ir, Ru, Zr, Nb, Rh가 있다. 상기의 금속들의 융점은 모두 1800℃ 이상이며 열팽창 계수는 4.5 내지 7.3×10^-6/K^-1의 범위로서 Mo의 열팽창 계수인 4.8×10^-6/K^-1과 큰 차이가 없어 슬리브 변형 등의 문제가 발생하지 않는다.

또한, 본 발명의 상기 박막코팅층의 두께는 20㎛이하인 것이 바람직하다. 이는, 코팅두께가 증가할수록 Mo 확산의 저해효과가 크기는 하나, 두께가 20㎛ 이상일 경우 음극의 열효율이 감소하고 에미터와의 용접성이 떨어지는 문제점이 발생하기 때문이다.

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

먼저, Mo 슬리브를 세정한 후 RF 스퍼터링 장치에 치구를 이용하여 장착한 다음, W, Hf, Ir, Ru, Zr, Nb, 및 Rh에서 선택된 원소를 스퍼터링에 의해 박막코팅한다. 코팅법으로는 상기 RF 스퍼터링 외에도, 열 증착, 전자-빔 증착, DC 증착 등 다른 박막형성법 모두가 적용가능하다

박막코팅의 코팅 두께는, 상기에서 설명한 바와 같이 20㎛이하가 되도록 하는 것이 바람직한데, 두께의 조절은 스퍼터링 파워, 증착 시간 등 공정 변수의 조절을 통해 쉽게 제어할 수 있다.

박막코팅층이 형성된 슬리브를 진공 또는 수소 분위기에서 1000-1300℃의 범위의 온도 하에서 열처리한다. 상기 열처리를 함으로써 코팅층이 견고하게 슬리브에 고착되게 될 뿐만 아니라, 스퍼터링을 한 경우 입자가 입성장을 하게 됨으로써 Mo 성분의 확산 저해 효과가 더 커지게 된다.

상기와 같은 과정을 거친 슬리브와 합금 과정을 거쳐 제작한 에미터를 레이져 용접하여 접합시키고, 그리고 나서 통상의 음극 조립 공정과 마찬가지로 나머지 음극 부품을 조립하여 금속 음극 구조체를 제작한다. 이어서 통상의 전자총, 전자관 제작 공정을 거쳐 본 발명에 의한 금속 음극을 채용한 브라운관을 완성한다.

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

실시예

먼저, 금속 에미터를 제조하기 위하여, 잉고트 형태의 Pt 94g, 및 Ba 6g을 아크로에 넣는다. 이어서, 아크로 내부를 진공 상태로 유지한 후 Ar 가스를 주입하였다. 그런 다음, 아크로에 전압을 인가하여 Pt 및 Ba 금속을 융해시키고 텅스텐 봉으로 잘 저어주어 금속의 합금화가 잘 이루어지도록 하였다. 어렇게 얻은 잉고트를 상기 융해 과정을 3회 반복하여 합금의 화학적 및 미세구조적 균일성이 향상되도록 하였고, 최종적으로 Pt 94.2 중량% 및 Ba 5.8 중량%로 이루어진 합금을 제조하였다.

이렇게 제조된 잉고트를 와이어 커팅 방법으로 에미터 형태로 커팅을 하여, 금속 에미터를 제작하였다.

Mo 슬리브는 세정한 다음 RF 스퍼터링 장치에 치구를 이용하여 장착하고, Hf를 RF 스퍼터링에 의해 슬리브 표면에 5㎛ 두께로 박막코팅하였다.

박막코팅층이 형성된 슬리브를 수소 분위기에서 1300℃의 온도 하에서 20 분간 열처리하였다.

상기의 과정을 거친 슬리브와 상기에서 제조된 금속 에미터를 레이져 용접하여 접합시키고, 홀더와 연결하고 히터를 삽입하여 금속 음극을 제작하였다.

비교예

슬리브에 박막코팅층을 형성하지 않은 점을 제외하고는 상기 실시예와 같은 방법으로 금속 음극을 제작하였다.

슬리브에 Hf 코팅층을 형성한 금속 음극과 형성하지 않은 금속 음극의 수명특성을 비교한 그래프를 도 3에 나타내었다.

도 3의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 에미터와 슬리브의 접합면에, 슬리브의 구성원소인 Mo가 에미터로 확산되는 것을 막을 수 있는 고융점 금속의 박막코팅이 존재하게 됨으로써 박막 코팅이 존재하지 않을 경우에 비해 일함수의 증가가 억제되어 전자방출 능력이 열화되는 정도가 감소함으로써 수명이 15-20% 향상되는 효과를 나타내었다.

본 발명의 금속 음극에 의하면, 슬리브와 에미터의 접합면에 고융점 금속의 박막코팅층을 형성함으로써, 금속 음극의 동작 중 슬리브의 구성원소인 Mo가 에미터로 확산되는 것을 방지하여 음극의 전자방출 능력 및 수명의 저하를 현격히 감소시킬 수 있다.

Claims (5)

1. Mo 재질 또는 Mo를 기반으로 하는 합금 재질의 슬리브와, 상기 슬리브 표면부에 형성된 박막코팅층과, 그리고 상기 박막코팅층 위에 형성된 Pt 또는 Pd를 주성분으로 하는 금속 에미터를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자관용 방열형 금속 음극.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 에미터는, Pt 또는 Pd 85 내지 99.5 중량%와 Ba, Ca, 또는 Sr 0.5 내지 15 중량%를 포함하는 이원계 또는 그 이상의 다원소계합금 형태인 것을 특징으로 하는 전자관용 방열형 금속 음극.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 박막코팅층은 W, Hf, Ir, Ru, Zr, Nb, 및 Rh로 이루어진 군에서 선택되는 한 가지 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자관용 방열형 금속 음극.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 박막코팅층은 Hf를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자관용 방열형 금속 음극.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 박막코팅층의 두께는 0.5 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 전자관용 방열형 금속 음극.