KR20020084615A - 음극 구조체 - Google Patents

Abstract

음극선관용 음극 구조체를 개시한다. 본 발명은, 코일형의 히터, 상기 히터를 내부에 보유하는 파이프형의 슬리브, 상기 히터와 소정 간격을 두고 상기 슬리브 일단의 개구를 폐쇄하도록 위치한 컵, 상기 컵의 오목부에 위치하며 상기 히터에 의해 가열되어 전자를 방출하는 음극 펠렛 및 상기 슬리브의 내주면에 소결 형성되어 상기 컵과 상기 슬리브의 열변형을 방지할 수 있는 코팅층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 코팅층은 내열성 금속인 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 레늄(Re) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나와 절연성 산화물을 구성 성분으로 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

음극 구조체{cathode assembly}

본 발명은 음극선관용 음극 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장시간의 작동에 불구하고 열변형 발생이 억제될 수 있는 개량된 음극 구조체에 관한 것이다.

음극선관에서 음극(cathode)은 열에너지에 의해 열전자를 방출하는 것으로서 크게 간접 가열방식에 의한 방열형과, 직접 가열방식에 의한 직열형으로 구분한다. 종래의 방열형 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 전자 방출 물질층을 구비한 소위 산화물 음극이 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 전자 방출 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.

국내공개번호 1995-005487 또는 일본공개번호 1994-020588의 발명에서 제시된 바와 같이 최근에는 초대형 브라운관, HD TV 등 고전류, 장수명의 음극선관이 요구됨에 따라 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등의 다공성 금속을 압축, 성형 및 소결한 후 산화바륨(BaO), 산화칼슘(CaO), 알루미나(Al₂O₃) 등의 전자 방출 물질을 함침시켜 형성한 펠렛(pellet) 형태의 음극 개발이 가속화되고 있다.

도 1 및 도 2는 펠렛 형태의 음극을 포함하는 종래의 음극 구조체의 일 예를 도시한 단면도이다. 도 1은 열변형이 발생하기 전, 도 2는 열변형이 발생한 후를 나타낸 것으로 동일 구성요소에 대하여 동일한 도면번호를 사용한다.

도 1을 참조하면, 음극 구조체(10)는 전자 방출 물질을 함침된 펠렛(11)과, 상기 펠렛(11)을 지지하는 컵(12)과, 상기 컵(cup,12)의 외주면에 용접 고정되는 파이프형의 슬리브(sleeve,13) 및 상기 슬리브(13) 내부에서 상기 컵(12)과 소정 거리를 두고 위치하며 상기 펠렛(11)에 열을 공급하는 코일형의 히터(14)를 구비한다. 도면에는 도시되지 않았으나 상기 슬리브(13)의 외곽에 있는 원통형 홀더가 복수의 금속팁에 의해 상기 슬리브(13)를 지지하고 있다.

상기 음극 구조체의 동작 온도는 대략 1000℃ 정도로 높아서 펠렛(11)을 지지하는 컵(12)과 슬리브(13)의 재질을 니켈(Ni) 또는 니켈(Ni)의 합금으로 하는 경우 열화하여 변형을 일으킬 가능성이 높다. 반면 내열성 금속인 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 또는 이들의 합금으로 하는 경우 펠렛(11)의 전자 방출 특성이 불량해지는 단점이 있다. 이에 따라 상기 컵(12)을 니켈(Ni) 또는 니켈(Ni)의 합금으로, 상기 슬리브(13)를 내열성 금속인 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W)또는 이들의 합금으로 하는 경우 상술한 문제점은 해결되나 컵(12)과 슬리브(13)의 재질이 상이하여 열변형이 크게 발생하는 단점이 있다.

도 2에는 컵(12)이 니켈(Ni) 또는 니켈(Ni)의 합금으로, 상기 슬리브(13)가 내열성 금속인 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 또는 이들의 합금으로 구성된

도 1과 동일한 음극 구조체가 도시되어 있다. 도면에 의하면, 서로 다른 재질의 상기 컵(12)과 슬리브(13)가 히터(14)로부터 열을 받아 열팽창하여 상기 컵(12)과 상기 슬리브(13)의 접촉부(15)가 외경 방향으로 변형을 일으키고 있다. 이로 인해 펠렛(11)이 정상 위치에서 t1만큼 상승될 수 있고, 음극(11)과 상기 음극(11) 위에 위치한 전극(미도시)간의 간격이 변화하여 설정된 전자 방출 특성을 유지할 수 없다. 또한 상기 접촉부(15)에 크랙(crack)이 발생될 수 있고 상기 컵(12)과 상기 슬리브(13)의 용접 부위에 분리 현상이 발생될 수도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고온의 작동 온도에 불구하고 열변형을 일으키지 않는 펠렛 지지체인 컵과 슬리브를 구비하는 음극 구조체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 장시간에 걸쳐 안정된 전자 방출 특성을 유지하는 신뢰성 있는 음극 구조체를 제공하는 것이다.

도 1 및 도 2는 종래의 음극 구조체의 일 예를 나타낸 것으로서 도 1은 열변형이 발생하기 전, 도 2는 열변형이 발생한 후를 도시한 단면도.

도 3은 본 발명의 음극 구조체의 일 실시예를 나타낸 부분 절개 사시도.

도 4는 도 3의 요부만을 나타낸 부분 단면도.

도 5는 본 발명 음극 구조체의 다른 일 실시예에 있어서 요부만을 나타낸 부분 단면도.

도 6은 본 발명 음극 구조체를 포함하는 음극선관 전자총을 도시한 정면도.

도 7은 본 발명으로 인한 컷 오프 드리프트(cut-off drift) 방지 효과를 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10,20,30,40...음극 구조체11,21,31...펠렛

12,22,32...컵13,23,33...슬리브

14,24,34...히터25,35...코팅층

26...금속팁27...홀더

50,51,52...전극60...전자총

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 코일형의 히터, 상기 히터를 내부에 보유하는 파이프형의 슬리브, 상기 히터와 소정 간격을 두고 상기 슬리브 일단의 개구를 폐쇄하도록 위치한 컵, 상기 컵의 오목부에 위치하며 상기 히터에 의해 가열되어 전자를 방출하는 음극 펠렛, 및 상기 슬리브의 내주면에 소결 형성되어 상기 컵과 상기 슬리브의 열변형을 방지할 수 있는 코팅층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 코팅층이 내열성 금속인 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 레늄(Re) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나와 절연성 산화물을 구성 성분으로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 코팅층이 입자 크기가 1~2㎛인 텅스텐(W) 파우더와 입자 크기가 2~6㎛인 알런덤(alundum) 파우더를 중량비 1:2로 고착제에 투입 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 코팅층이 상기 슬리브의 내주면 전체에 균일하게 형성되거나, 상기 슬리브의 내주면과 상기 컵 사이의 접합면에만 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 코팅층의 두께가 상기 슬리브나 컵의 두께보다 얇은 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 음극 구조체를 상세하게 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명 음극 구조체(20)의 일 실시예를 나타낸 부분 절개 사시도이다.

도면을 참조하면, 음극 구조체(20)는 전자 방출 물질이 함침된 원통형의 펠렛(21), 이를 지지하는 컵(22), 상기 컵(22)의 외주면에 용접, 고정되어 상기 컵(22)을 지지하는 파이프 형상의 슬리브(23), 상기 슬리브(23)의 내부에 위치하는 히터(24) 및 상기 히터(24)로부터의 열로 인한 상기 컵(22)과 상기 슬리브(23)의 열변형을 방지하는 상기 슬리브(23)의 내주면에 형성된 코팅층을 구비한다. 또한 상기 슬리브(23)는 파이프 형상의 홀더(27) 내부에 위치하며, 상기 슬리브(23)의 하단부와 상기 홀더(27)의 상단부를 연결하는 복수의 금속팁(26)에 의해 지지된다.

펠렛(21)은 니켈(Ni), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo) 등의 환원성이 있는 다공질 금속의 분말을 압축 및 성형하여 소결하고, 이에 탄산바륨(BaCO₃), 탄산스트론튬(SrCO₃), 탄산칼슘(CaCO₃)등의 탄산염과 산화바륨(BaO), 산화칼슘(CaO), 알루미나(Al₂O₃) 등의 전자 방출 물질을 함침시켜 형성한다.

컵(22)은 니켈-크롬(Ni-Cr), 몰리브덴(Mo) ,탄탈륨(Ta), 레늄(Re) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 재질로 구성되며, 슬리브(23)는 열화 방지를 위해 내열성이 있는 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 레늄(Re) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 재질로 구성된다.

히터(24)는 1150℃ 이상에서 고 내열성을 가지고 있는 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 레늄(Re) 등으로 된 코일 금속선에 알루미나(Al₂O₃) 등으로 된 절연층을 구비하여 이루어지며, 열복사 효율을 향상하기 위해 코팅층이 형성될 수도 있다.

도 4는 도 3의 음극 구조체 중에서 본 발명의 요부인 슬리브(23) 내부의 구성요소들만을 나타낸 부분 단면도이며, 도 3과 동일 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여한다.

도면을 참조하면, 슬리브(23)의 내주면에 전체적으로 코팅층(25)이 형성되어 있다. 상기 코팅층(25)의 두께가 두꺼워지면 코팅층이 열처리 후 갈라짐 및 떨어짐이 발생될 수 있으므로 상기 코팅층(25)의 두께는 컵 또는 슬리브의 두께 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

코팅액의 제조 과정을 살펴보면, 먼저 이물 방지와 순도 향상을 위해 알루미나 보트에 특급 아세톤 100cc를 넣어 세정하고, 특급 메탄올 400cc와 니트로 셀룰로오즈 50g을 넣어 균일하게 혼합한다. 소정 시간동안 자연 숙성 후 N-부틸 아세테이트를 넣고 혼합하여 고착제를 만든다. 상기 고착제에 입자 크기 1~2㎛인 텅스텐(W) 파우더 400g과 입자 크기 2~6㎛인 알런덤(alundum) 파우더 800g을 넣어 균일하게 혼합하고 파우더의 뭉침을 방지하기 위해 메시(mesh)로 여과하여 코팅액을 완성한다.

코팅층(25)을 형성하기 위해 슬리브(23)를 상기 코팅액에 담궈 슬리브(23)의 내외면에 도포하고 외면의 코팅층은 아세톤으로 제거한다. 상기 코팅액이 도포된 슬리브(23)를 120℃ 분위기에서 3시간 건조한 후 10^-5torr 이상의 진공 분위기에서 1600℃로 10분간 열처리하여 상기 코팅액과 슬리브를 소결 일체화시켜 내열성이 강한 코팅층(25)을 형성한다. 코팅층(25)의 두께는 코팅층의 갈라짐이나 떨어짐을 방지하기 위해 5~10㎛로 한다.

코팅층(25)이 형성된 슬리브(23)의 일단에 펠렛(21)이 내장된 컵(22)을 삽입하여 그 접하는 부분을 레이져 용접하여 고정하고 금속팁(26)의 일단을 슬리브(23)의 하단과, 다른 일단을 홀더(27)와 용접 고정하여 음극 구조체를 완성한다.

도 5는 본 발명인 음극 구조체의 다른 일 실시예를 나타내는 것으로 발명의 요부인 슬리브(33) 내부의 구성 요소들만을 나타낸 부분 단면도이다.

도면을 참조하면, 음극 구조체(30)는 도 4와 마찬가지로 펠렛(31), 컵(32), 슬리브(33), 히터(34) 및 코팅층(35)으로 구성되어 있다. 상기 코팅층(35)은 도 4의 실시예와 달리 슬리브(33)의 내주면 전체가 아니라 컵(32)과의 접합면에만 형성되어 있다. 상기 접합면에서 열변형이 발생할 가능성이 상대적으로 높으므로 이 부위만 코팅층이 형성되면 코팅액의 소모량을 줄일 수 있다.

본 발명의 음극 구조체를 채용한 음극선관용 전자총을 이용하여 신뢰성 시험을 실시한 결과 컷 오프 드리프트(cut off drift)가 거의 발생하지 않았음을 확인하였다. 도 4 및 도 5를 통해 상기 신뢰성 시험에 대해 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명인 음극 구조체를 포함하는 컬러 음극선관용 전자총을 도시한 정면도로서 도면을 참조하면, 컬러 음극선관용 전자총(60)은 적색광, 녹색광 및 청색광용 3개의 음극 구조체(40)를 1조로 구비하고, 음극 구조체(40)내의 음극에서 방출된 전자의 이동 경로상에 차례로 위치하여 전압이 인가되면 전자 렌즈를 형성하는 복수의 전극(50,51,52)을 구비한다.

제 1 전극(G1,50)에 인가되는 전압(이하, Ec1이라 함)을 -90V로 고정시킨 상태에서 제 2 전극(G2,51)에 인가되는 전압(이하, Ec2라 함)을 변화시킬 때 Ec2가소정치보다 낮으면 음극(미도시)과 제 1 전극간에 전류가 흐르지 않고, 소정치보다 높으면 전류가 흐르는데 이를 컷 오프(cut off)라 한다. 상기 음극과 제 1 전극간의 전류가 1㎂에 이르는 경우 Ec2를 CoE2라 하면, 음극선관의 작동 시간 경과에 따라 CoE2값이 변화하는 것을 컷 오프 드리프트(cut off drift)라 한다.

도 5는 본 발명으로 인한 컷 오프 드리프트(cut-off drift) 방지 효과를 나타내는 그래프이다. 그래프 상에서 ??로써 표시된 것은 종래의 코팅층이 형성되지 않은 음극 구조체를 음극선관에서 1000시간동안 작동시킨 후 CoE2의 변화를 나타낸 것으로, 시험 초기 대비 20%가 감소하였다. 반면 ??로써 표시된 것은 도 4의 음극 구조체를 음극선관에서 1000시간동안 작동시킨 후 CoE2의 변화를 나타낸 것으로서, 변화량이 초기 대비 1% 이내로 나타났다.

이상에서 설명한 본 발명의 음극 구조체는 다음과 같은 효과를 같는다.

첫째, 고온의 작동 온도에 불구하고 내열성 있는 코팅층이 컵과 슬리브의 열변형을 방지하여 음극과 전극간의 간격을 일정하게 유지시켜 준다.

둘째, 컷 오프 드리프트가 방지되어 음극 구조체가 장시간에 걸쳐 안정된 전자 방출 특성을 유지하기 때문에 음극 구조체의 신뢰성이 향상된다.

셋째, 컵과 슬리브의 접촉부에서 크랙(crack)이나 용접 부위의 분리 현상이 발생되는 것을 방지한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 코일형의 히터;

   상기 히터를 내부에 보유하는 파이프형의 슬리브;

   상기 히터와 소정 간격을 두고 상기 슬리브 일단의 개구를 폐쇄하도록 위치한 컵;

   상기 컵의 오목부에 위치하며 상기 히터에 의해 가열되어 전자를 방출하는 음극 펠렛; 및

   상기 슬리브의 내주면에 소결 형성되어 상기 컵과 상기 슬리브의 열변형을 방지할 수 있는 코팅층을 구비하는 것을 특징으로 하는 음극 구조체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 코팅층은 내열성 금속인 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 레늄(Re) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나와 절연성 산화물을 구성 성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 구조체.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 코팅층은 입자 크기가 1~2㎛인 텅스텐(W) 파우더와 입자 크기 2~6㎛인알런덤(alundum) 파우더를 중량비 1:2로 고착제에 투입 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 음극 구조체.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 코팅층은 상기 슬리브의 내주면 전체에 균일하게 형성되거나, 상기 슬리브의 내주면과 상기 컵 사이의 접합면에만 형성되는 것을 특징으로 하는 음극 구조체.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 코팅층의 두께는 상기 슬리브나 컵의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 음극 구조체.