KR20020064433A - 음극선관용 전자총의 삼극부 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자총에서 냉음극을 갖는 삼극부의 구조를 개선하여, 스크린상의 해상도가 향상되도록 냉음극에서 방사되는 전자빔의 경로를 조절하는데 그 목적이 있다.

이를 위해, 본 발명은 냉음극과, 제1 전극과, 제2 전극으로 삼극부를 이루는 전자총에 있어서, 상기 냉음극에서 일정한 콘 형태로 방사되는 전자빔을 라미나 플로우(laminar flow)형태로 변형시키기 위해, 상기 냉음극에서 방사되는 전자빔의 방사각을, 상기 냉음극의 반경을 r, 상기 냉음극과 상기 제1 전극간의 거리를 L₁, 상기 제1 전극의 빔 통과공의 반경을 R₁이라 할 때,

Description

음극선관용 전자총의 삼극부 구조{Triode part of electron gun in cathode ray tube}

본 발명은 음극선관용 전자총의 삼극부 구조에 관한 것으로서, 더 상세하게는 냉음극에서 방사되는 전자빔의 경로를 조절하여 스크린상의 해상도를 향상시키도록 한 것이다.

일반적으로, 음극선관은, 도 1에 도시된 바와 같이, 화상 표시측인 전면부에 위치하며 그 내측면에 형광막(1a)이 도포된 패널(1)과, 상기 형광막으로 입사되는 전자빔(5a)의 색선별 기능을 갖는 새도우마스크(2)와, 상기 패널의 후면에 결합되어 내부를 진공상태로 유지하는 펀넬(3)과, 상기 펀넬의 후방으로 후퇴되어 있는 관형상의 네크부(4)와, 상기 네크부 내부에 장착되어 전자빔을 방출하는 전자총(5)과, 상기 펀넬의 외측을 둘러싸며 전자빔을 편향시키는 편향요크(6)로 이루어진다.

그리고, 음극선관용 전자총은, 도 2에 도시된 바와 같이, 전자빔을 방사하는 음극(10), 상기 음극에서 방사된 전자빔을 제어하는 제1 전극(11)과, 제어된 전자빔을 가속시키는 제2 전극(12)으로 이루어진 삼극부(20)와; 상기 전자빔을 형광막에 집속시키기 위해 주정전 집속렌즈(이하 '주렌즈'라 칭함)를 형성시키는 포커스 전극(13, 14, 15), 애노드전극(16), 쉴드컵(17)이 소정간격을 두어 일렬로 배열된주렌즈 형성전극부(30)가 포함되어 이루어진다.

한편, 상기 음극(10)은 히터(도시생략)가 포함되어 열전자를 방사하는 열음극과 전계를 방출하는 냉음극으로 구별되며, 최근에는 평판 디스플레이 소자의 지속적인 개발에 의하여 열음극 대신 냉음극을 사용하려는 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

그 이유는, 열음극은 열전자 방사에 필요한 온도인 약 800℃에 도달하기 위한 시간 및 열을 제공하기 위한 에너지가 소비되는 반면, 냉음극은 전압인가에 따라 순간적인 작동이 가능하고 열을 제공하기 위한 히터 및 에너지를 요하지 않기 때문이다.

즉, 냉음극은 열이 발생하지 않으므로, 열음극이 채용된 전자총에서처럼 열에 의해 삼극부(20)가 열팽창되어 발생되는 음극선관에 불리한 특성들의 발생을 근원적으로 해결시킬 수 있게 된다.

예컨대, 열팽창에 의해 발생되는 불리한 특성으로는, 초기 전자방사특성의 변화를 나타내는 오버슈트(over-shoot)와, 스크린에 세 전자빔이 일치되는 것이 시간에 따라 변화되는 에스티시 드리프트(STC-drift) 현상등이 있다.

상기와 같이 열음극에 비해 여러 가지 장점을 갖고 있는 전계 방출형 냉음극 에미터(emitter)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 예리한 각을 가지는 팀(10a)과, 팀에 수 ㎛ 이내로 인접하여 50∼200V의 전압을 이용하여 강한 전계를 인가하고 전자를 방출하기 위한 케이트 전극(10b)과, 상기 게이트 전극을 지지하고 고정하는 절연체(10c)로 이루어진다.

그리고, 도 4는 상기 냉음극 에미터들이 모인 전체 냉음극(10)의 형상을 위에서 본 평면도로서, 구멍 내부에 있는 점들은 팁(10a)의 끝을 표시한 것이다. 물론, 실제 냉음극이 보유하는 팁의 수는 도 4에 도시된 것보다 많다.

상기와 같이 이루어진 냉음극은 다음과 같은 Fowler-Nordheim 방정식에 의해 그 효율이 표현된다.

(여기서, I는 전류, V는 인가전압,는 소자의 일함수, A와 B는 상수이다.)

상기 Fowler-Nordheim 방정식의 기울기는 팁(10a)의 형상에 좌우된다. 즉, 팁이 예리할수록 기울기가 커지므로 전압변화에 대한 전류변화가 크게 된다. 특히, 낮은 구동전압에 큰 전류를 얻기 위해서는 소자의 일함수를 낮추거나 팁의 형상을 예리하게 하는 방법이 많이 사용된다.

또한, 열음극을 채용한 전자총과 냉음극을 채용한 전자총에서 방사되는 전자빔의 운동 에너지는 크게 다르다.

우선, 열음극에서 방사되는 전자들은 열음극내에 위치한 히터에 의하여 약 800℃로 가열되어 음극으로부터 탈출할 준비를 하고 있으며, 외부에서 작은 전압을 인가하는 것만으로 방출이 가능하다. 이때, 열음극을 탈출한 전자의 운동에너지는 수 eV이하이다.

따라서, 열음극을 탈출한 전자의 운동에너지는 미약하므로 전자의 진행경로는 거의 전적으로 음극(도1의 10참조), 제1 전극(11), 제2 전극(12) 및 제3 전극(13)에 의한 전계에 의한다. 또한, 전자는 이동을 하며 등전위선에 수직인 방향으로 힘을 받아 경로를 변경하는데, 음극의 중심에서 멀리 떨어진 곳에서 탈출한 전자빔들이 더 강한 집속작용을 받으므로 대부분 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에서 크로스오버(cross-over)를 형성한다.

이에 반해, 냉음극(10)은 히터를 가지지 않으므로, 냉음극표면의 전자들은 강한 전계에 의해서만 인출된다. 즉, 팁(10a)에 1㎛내외로 인접한 게이트전극(10b)에 100V정도의 전압을 인가하면 약 10⁸V/m의 강한 전계에 의하여 전자빔은 팁에서 탈출한다. 이때, 냉음극을 탈출한 전자의 운동에너지는 게이트전극에 인가한 100eV 정도이다.

따라서, 도 5와 같은 결과가 나타나게 되는데, 도 5는 냉음극을 종래기술에 따른 전자총의 삼극부에 적용한 경우의 전자빔(5a)의 궤적을 컴퓨터로 해석한 결과로서, 일정한 방사각 내에서 냉음극 에미터에서 방사되는 전자빔의 궤적을 나타낸 결과이다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 전자빔(5a)은 콘형으로 ±20도의 방사각을 가지며, 상부 20도 범위내의 전자빔과 하부 20도 범위 내의 전자빔의 경로가 매우 다르게 나타남을 알 수 있으며. 이는 각 전자빔들의 진행경로를 조절하는데 많은 어려움을 야기시키게 된다.

이하, 종래기술에 따른 냉음극이 채용된 전자총의 문제점은 다음과 같다.

냉음극(10)에서 방사되는 전자빔의 운동에너지가 크므로, 제1 전극(11) 및제2 전극(12)에 인가되는 전위로 각 전자빔(5a)들의 진행경로를 조절하는데 문제가 있다.

즉, 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)에 의한 집속력이 강하면, 냉음극(10)으로부터의 방사각이 큰 전자빔(5a)들은 적절히 집속되지만, 방사각이 작은 Z축에 근접한 전자빔들은 지나치게 집속하게 된다. 이와 반대로, 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)에 의한 집속력이 약하면, Z축상 전자빔들은 적절한 집속을 받지만 방사각이 큰 전자빔들은 미약한 집속에 의해 크게 발산하게 된다.

결국, 전자빔(5a)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 주렌즈에서 적절한 집속을 받지 못하게 됨에 따라, 스크린에서의 빔 스폿이 매우 커지게 되어 해상도가 열화되는 문제가 발생된다.

본 발명은 종래기술에 대한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전자총에서 냉음극을 갖는 삼극부의 구조를 개선하여, 스크린상의 해상도가 향상되도록 냉음극에서 방사되는 전자빔의 경로를 조절하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 음극선관의 구조를 나타낸 단면도.

도 2는 일반적인 전자총의 구조를 나타낸 일부 절개도.

도 3은 종래기술에 따른 냉음극 에미터의 구조를 나타낸 일부 단면도.

도 4는 종래기술에 따른 냉음극을 나타낸 평면도.

도 5는 종래기술에 따른 전자총의 삼극부를 통과하는 전자빔 궤적을 나타낸 그래프.

도 6은 도 5의 전자빔 궤적이 주렌즈 형성전극부를 통과한 후의 전자빔 궤적을 나타낸 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 전자총의 삼극부 구조를 나타낸 구성도.

도 8은 본 발명에 따른 전자총의 삼극부를 통과하는 전자빔 궤적을 나타낸 그래프.

도 9는 도 8의 전자빔 궤적이 주렌즈 형성전극부를 통과한 후의 전자빔 궤적을 나타낸 그래프.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

5: 전자총 5a: 전자빔

100: 냉음극 110: 제1 전극

110a: 제1 전극의 빔 통과공 120: 제2 전극

120a: 제2 전극의 빔 통과공

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 냉음극과, 제1 전극과, 제2 전극으로 삼극부를 이루는 전자총에 있어서, 상기 냉음극에서 일정한 콘 형태로 방사되는 전자빔을 라미나 플로우(laminar flow)형태로 변형시키기 위해, 상기 냉음극에서 방사되는 전자빔의 방사각을, 상기 냉음극의 반경을 r, 상기 냉음극과 상기제1 전극간의 거리를 L₁, 상기 제1 전극의 빔 통과공의 반경을 R₁이라 할 때,의 조건식이 만족되어 이루어짐을 특징으로 하는 전자총의 삼극부 구조를 제공한다.

상기한 내용을 더 상세하게 설명하기 위해 도면을 참조하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명에 따른 전자총의 삼극부 구조를 나타낸 구성도이고, 도 8은 본 발명에 따른 전자총의 삼극부를 통과하는 전자빔 궤적을 나타낸 그래프이며, 도 9는 도 8의 전자빔 궤적이 주렌즈 형성전극부를 통과한 후의 전자빔 궤적을 나타낸 그래프이다.

본 발명에 따른 전자총의 삼극부 구조는, 도 7에 도시된 바와 같이, 냉음극(100)과, 제1 전극(110)과, 제2 전극(120)으로 삼극부를 이루는 전자총에 있어서, 상기 냉음극에서 일정한 콘 형태로 방사되는 전자빔(5a)을 라미나 플로우(laminar flow)형태로 변형시키기 위해, 냉음극(100)과 제1 전극(110)과 제2 전극(120)의 위치 및 제1 전극과 제2 전극의 빔 통과공(110a, 120a)의 크기 등이 적절하게 개선되어 이루어진다. 즉, 상기 냉음극(100)에서 방사되는 전자빔(5a)의 방사각을, 상기 냉음극의 반경을 r, 상기 냉음극과 상기 제1 전극간의 거리를 L₁, 상기 제1 전극의 빔 통과공(110a)의 반경을 R₁이라 할 때,의 조건식이 만족되어 이루어진다.

이와 더불어, 상기 제2 전극(120)에는 상기 냉음극(100)에서 방사되는 전자빔(5a)의 운동에너지가 비교적 크므로, 충분히 높은 전압을 인가시켜 강한 전계가 형성되도록 하여야 한다. 즉, 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(120)간의 거리가 커지면 두 전극간의 전위차도 커져야 단위 길이당 전위차가 동일하게 유지될 수 있고, 상기 제2 전극의 빔 통과공(120a)이 크면 전자빔(5a)에 충분한 집속력을 가하기 어려우므로 상기 제2 전극 전위를 높여야 한다.

이러한 관계를 고려하여, 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(120)간의 거리를 L₂, 상기 제2 전극의 빔 통과공(120a)의 반경을 R₂, 상기 제2 전극의 전위를 V₂라 할 때,의 조건식이 만족되어 이루어짐이 바람직하다.

이하, 도 8과 도 9를 참조하여, 본 발명에 따른 삼극부 구조의 조건식을 더 구체적으로 언급하면 다음과 같다.

도 8은 냉음극(100)에서 20도의 콘 앵글(cone angle)을 가지며 방사되는 전자빔의 콘 외측 전자빔에 대한 집속력을 강화하기 위한 본 발명에 따른 삼극부 구조 및 전자빔의 진행경로를 시뮬레이션한 그래프로서, 먼저, 냉음극(100)과 제1 전극(110)과의 거리를 종래기술에 따른 열음극에서의 약 0.1mm에 비하여 현저히 멀리하여, 하나의 냉음극 에미터에서 방사되는 전자빔(5a)들이 제1 전극(110)에 형성된 빔 통과공(110a) 통과시 전자빔의 반경이 커지도록 한다.

이와 함께, 제1 전극의 빔 통과공(110a)의 크기를 확대하여 모든 냉음극(100) 에미터에서 방사되는 전자빔(5a)들이 제1 전극의 빔 통과공을 통과할 수 있도록 하고, 제1 전극(110)에는 게이트 전극(도 3의 10b 참조)에 인가되는 전압에 비하여 낮은 전압을 인가하며, 제2 전극(120)과 제1 전극(110)은 상호 일정한 거리로 이격시키고, 제2 전극에는 게이트 전극에 비하여 높은 전압을 인가한다.

따라서, 냉음극(100), 제1 전극(110), 제2 전극(120)과, 이들 사이에 인가되는 전압에 의해 제1 전극과 제2 전극 사이에는 강한 렌즈가 형성되므로, 이 강한 렌즈에 의한 구면수차를 활용하여, Z축에서 멀리 떨어진 전자빔(5a)들에 대해 선택적으로 강한 Z축방향의 집속을 가하는 것이 가능하다.

일반적으로, 스크린(screen)에서의 전자빔 스폿의 크기는 다음의 식으로 간단히 표시할 수 있다.

(여기서, A,B는 상수이고,는 빔의 단면경이다.)

상기 식에서 알 수 있듯이, 스크린에서의 스폿경은 렌즈를 통과한 전자빔 반경의 3제곱에 비례한다.

즉, 주렌즈를 통과하는 전자빔(5a) 중 주렌즈의 중심을 벗어나는 전자빔들은 강한 수차를 겪어 중심을 향하여 더 심하게 집속하게 되고, 주렌즈의 Z축 중심을 통과하는 발산각이 작은 전자빔들은 미약한 집속력을 받게 되므로 계속 작은 발산각()을 유지하게 된다.

이에 따라, 본 발명은, 도 9에 도시된 바와 같이, 와곽 전자빔(5a, 주렌즈의 중심에서 벗어난 전자빔)을 특히 더 많이 집속시키게 되고, Z축상의 전자빔을 약하게 집속시키게 됨에 따라, 냉음극에서 일정한 콘 형태로 방사되는 전자빔(5a)은 라미나 플로우(laminar flow) 형태로 변형되게 된다.

결국, 본 발명은 삼극부의 구조를 개선함에 따라, 냉음극(100)에서 방사된 전자빔(5a)들이 주렌즈를 통과한 후 라미나 플로우 형태에 근접하게 되어, 스크린상(screen)의 해상도를 향상시킬 수 있게 된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술 범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명은 전자총에서 냉음극을 갖는 삼극부의 구조를 개선한 것으로서, 냉음극에서 방사되는 전자빔의 경로가 조절되어 스크린상의 해상도가 향상되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 냉음극과, 제1 전극과, 제2 전극으로 삼극부를 이루는 전자총에 있어서,

   상기 냉음극에서 방사되는 전자빔의 방사각을, 상기 냉음극의 반경을 r, 상기 냉음극과 상기 제1 전극간의 거리를 L₁, 상기 제1 전극의 빔 통과공의 반경을 R₁이라 할 때,

   의 조건식이 만족되어 이루어짐을 특징으로 하는 전자총의 삼극부 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 전극과 상기 제2 전극간의 거리를 L₂, 상기 제2 전극의 빔 통과공의 반경을 R₂, 상기 제2 전극의 전위를 V₂라 할 때,

   의 조건식이 만족되어 이루어짐을 특징으로 하는 전자총의 삼극부 구조.