KR20020086694A - 전자총의 음극 장착 - Google Patents

Abstract

방전기와 추출 그리드를 갖는 전계 방전 장치를 전자총에 장착하는 장치와 방법이 제공된다. 이 장치는 열이온 방전기를 사용하는 종래의 전자총의 부위로부터 개조될 수 있다. 그리드와의 전기적 연결은 종래의 전자총의 제 2 그리드와 같은, 도전성 표면에 대하여 스프링-로딩되는 범프에 의해 제공된다.

Description

전자총의 음극 장착{MOUNTING FOR CATHODE IN AN ELECTRON GUN}

기존의 전자총은 전자원으로서 열이온 방전기(thermionic emitter)를 사용한다. 도 1은 열이온 방전기를 사용하는 전자총의 하부 부위의 일반적인 구성을 나타낸다. 음극과, 2개의 그리드를 갖는 전자총 부위를 전체적으로 참조부호 (10)으로 나타낸다. 다른 그리드와 함께, 그리드 둘다는 일반적으로, 전체 전자총을 구성하는 구조로 "비즈(beaded)"되어 있다. 필라멘트(12)는 전자를 방전하도록 방전 코팅(14)을 가열하는 데 사용된다. 음극 섕크(shank)(18)에 부착된 음극 캡(16)은 방전 코팅(14)(CRT에서 산화물로 변환되는, 통상 바륨, 스트론튬 또는 칼슘 탄산염중 하나 이상의 화합물)을 지지한다. 음극 섕크(18)는 일반적으로 인터페이스 링(20:interface ring)에 용접된다. 인터페이스 링(20)은 세라믹 음극 마운트(22)에 일체로 형성될 수 있다. 세라믹 음극 마운트(22)는 그리드(24) 내에서 자유롭게 슬라이딩되지만 최종 전자총 조립 동안은 용접에 의해 정위치에 고정된다. 그리드(24)(G1)과 그리드(26)(G2)는 방전 코팅(14)에 의해 생성된 전자를 집속 및가속하는 데 사용된다. 그리드들은 전자원을 생성하도록 일정한 방식으로 전기적으로 바이어스되며, 전자원은 CRT 요구 조건을 만족시키기 위해 다른 그리드에 의해 더 집속 및 조절될 수 있다.

열이온 방전에 기초한 음극을 전자의 전계 방전에 기초한 냉음극(전계 방전 장치 또는 FED)으로 대체할 수 있게 하는 기술이 최근에 개발되고 있다. 냉음극으로부터의 전자 방전은 몰리브덴, 실리콘 또는, 최근에는 탄소-계(carbon-based) 재료로 제조되는 마이크로팁(microtip)으로부터 발생할 수 있다. 탄소-계 재료 또는 다이아몬드-류(diamond-like) 재료는 집적 회로 제조 기술("익스트림 애플리케이션을 위한 개선된 CVD 다이아몬드 마이크로팁 장치", MAT.RES.SOC.SYMP.PROC.,Vol.509(1998))을 사용하여 게이트 전극(gated electrode)과 자기정렬 구조로 모노리식 집적될 수 있다. 내재한 추출 게이트를 갖는 전계 방전 장치의 사용으로 열이온 방전에 기초한 전자총의 2개의 전극(도1의 G1 및 G2)의 필요성을 없앨 수 있다. 이들 전극의 제거로 총이 단순화되며 또한 그 길이가 감소된다. 전자총에 대한 집적된 탄소-류 음극 및 전극의 적용은 리치 고르스키(Rich Gorski)와 케이쓰 디. 제미슨(Keith D. Jamison)이 발명하여 1999년 7월 19일 출원되고 현재 계류중이며, 여기에 참조로서 포함된, 특허 출원번호09/356,851 "컴팩트한 전계 방전 전자총 및 집속 렌즈"에 기술되어 있다. 분할(segment) 음극은 케이쓰 D. 제미슨과 도날드 E. 패터슨이 발명하여 99/12/31에 출원되고 현재 계류중이며, 여기에 참조로써 포함된 특허 출원번호 09/476,051 "전계 방전 음극의 동적 빔 보정을 위한 세그먼트 게이트 드라이브"에 개시되어 있다. 전계 방전 음극을 전자총에 장착하기 위한 패키지 구조는 랜돌프 D. 슈엘러, 켄트 R. 칼러 및 앤쏘니 A. 클로바가 발명한 2000년 1월 28일 출원되고 현재 계류중이며, 여기에 참조로써 포함된 특허 출원번호 09/493379 "전계 방전 장치를 전자총에 장착하기 위한 패키지 구조"에 기술되어 있다.

전계 방전 음극을 전자총에 결합하기 위한 구조들은 공지되어 있다. 그러나, 이들 구조는 열이온 방전기 또는 새롭게 설계된 부위를 사용하는 전자총 부위의 적지않은 재설계(re-engineering) 또는 대체를 필요로 한다. 전자총 설계 변경과 총 부위 공구(tool) 수정은 고비용과 많은 시간이 소요된다. 음극으로서의 전계 방전 장치(FED)의 사용은 음극선관(CRT) 산업에서 새로운 것이며 종래의 방법 또는 장치를 사용하는 CRT에서 그 장점의 입증은 고비용과 많은 시간이 소요되는 전자총 설계 수정을 요구할 것이다. 일단 FED의 장점이 입증되면, 이러한 변경들은 비용이 적게 들 것으로 예상된다. 필요한 것은, 열이온 방전을 사용하는 이미 상업화된 전자총 부위의 최소 수정을 요구하는 구조 및 방법이며, 즉, FED의 모든 요구사항을 충족하면서도, 광범위한 총 설계 및 부위 공구 변경을 요구하지 않는 것이다. 또한 CRT에서의 이러한 구조의 사용은 CRT와의 전기적 연결에 있어 최소한의 변경이 가능해야 한다.

본 발명은 음극선관(CRT)과 같은 장치를 위한 전자총에 관한 것이다. 특히, 전계 방전 장치를 장착하는 데 종래의 전자총의 수정된 부위를 사용할 수 있는 장치 및 방법이 제공된다.

도 1은 열이온 방전기를 사용하는 종래 기술의 전자총의 하부 부위의 구성을 보여주는 도면.

도 2는 전자총에 사용하기 적합한 전계 방전 어레이를 포함하는 음극을 보여주는 도면.

도 3은 전계 방전 음극을 사용하는 전자총의 제 1 실시예를 보여주는 도면.

도 4는 전계 방전 음극을 사용하는 전자총의 제 2 실시예를 보여주는 도면.

도 5는 전계 방전 음극을 사용하는 전자총의 제 3 실시예를 보여주는 도면.

일체형 추출 그리드를 갖는 전계 방전 음극의 사용을 위한 전자총 구조가 제공된다. 그 구조는, 중공 부재에 한정되고, 제2표면에 대향하는 방전 어레이 주위의 전기적 접촉 영역을 누르는 스프링을 포함하는데, 여기서 중공 부재는, 섕크로작용하는 종래 전자총의 그리드(G1)일 수 있고, 섕크는 종래 전자총의 음극 섕크일 수 있으며, 제2표면은 종래 전자총의 그리드(G2)일 수 있다. 전기적 접촉 영역은 전계 방전 어레이의 추출 그리드에 전기적으로 연결된다. 그리드는 어레이의 방전기와 일체로 형성될 수 있다. 전계 방전 어레이는 기판 상에 형성되고 바람직하게는 탄소-계이다. 다른 실시예에서는, 음극 캡과 FED 기판 사이의 기계적 접촉 영역을 증가시키도록 기판 아래에 지지판이 배치된다. 또 다른 실시예에서는, 음극 섕크가 절단되는 데, 이는 몇가지 응용에서 각도 장착 에러(angular mounting error)를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 보다 완전한 이해 및 그 장점을 이해하기 위하여, 첨부한 도면과 관련하여 취해진 다음의 설명으로 참조되며, 같은 구성요소는 같은 참조부호로 나타낸다.

도 2를 참조하면, 음극을 전체적으로 참조부호 30으로 나타내었다. 전계 방전 어레이(32)는 기판(34)상에 형성되었다. 전계 방전 어레이는, 모두 여기에 참조로서 포함되고 있으며, 1998년 10월 12일에 출원되어 계류중인 미합중국 특허 제 09/169,908호 및 제 09/169,909호, 1999년 7월 19일에 출원된 미합중국 특허 제 09/356,856호, 1999년 12월 31일에 출원된 미합중국 특허 제 09/476,651호에 공통적으로 설명된 바와 같은 탄소-계일 수 있다. 바람직하게는, 상기 어레이는 탄소-계 방전기(36)로 형성되고, 게이트층(38)에 일체로 형성된다. 금 스터드 범프(gold stud bump)일 수 있는 범프(40)는 게이트 접촉 층(38)상에 형성될 수 있고, 이 범프는 이하에 설명되는 장착 과정 때 기판의 에지의 단락을 방지하기 위한 기계적 절연(standoff) 뿐만 아니라 전기 접촉점으로 역할한다. 절연층(37)은 게이트층(38)과 방전기(36)를 분리시킨다.

도 3을 참조하면, 도 1에 나타낸 바와 같은 열이온 방전을 사용하는 전자총 부위는 FED에 사용하기 위한 전자총을 제공하도록 변형되었고, 참조 부호 50으로 나타내었다. 이 부위는 종래 기술을 사용하여 모두 "비즈"된다. 도 1의 방전 코팅(16)이 음극 캡(16)으로부터 제거 또는 생략되었고, 전계 방전 어레이 기판(34)은 음극 캡(16)과 전계 방전 어레이(32) 사이에 전기 접촉을 형성하기 위해 음극 캡(16)에 접착된다. 도전성 흑연 코팅, 즉 "애쿼닥(Aquadag)", 또는 ABLEBOND 71-1 혹은 ABLEBOND 2106과 같은 고온 도전성 접착제는 CRT를 제조하는데 요구되는 접착력, 전기적, 고온 및 높은 진공 특성을 제공한다. 도 1의 그리드(G1; 24)의 개구부는 그를 통해 결합된 기판(34)이 충분히 통과될 수 있는 실린더(52)를형성하도록 확대되었다. 물론, 어떤 적합한 크기의 중공부재(hollow member)가 실린더(52)에 이용될 수 있다. 음극 섕크(18)는 실린더(52)에 삽입되어 조립되기 전에 인터페이스 링(20)에 용접된다. 세라믹 음극 마운트(22)가 실린더(52)에 설치되고, 그 후 코일 스프링(54)이 실린더(52)에 삽입되며, 스프링 유지 디스크(56)가 실린더(52)에 삽입되고 (바람직하게는, 용접에 의해) 고정된다. 유지부(56)에 의해 정위치에 유지된 코일 스프링(54)은 게이트층 접촉부(42)와 전기적으로 접촉하게 하는 힘으로 도 2에 나타낸 범프(40)를 실린더(58)로 향해 가압하는 역할을 한다. 이어, 수정된 전자총은 도 3에 나타낸 부위과 필요할 수 있는 다른 모든 그리드로부터 형성된다. 수정된 전자총은 종래 기술을 이용하여 CRT내에 밀봉될 수 있다.

도 4는 FED 음극용 전자총의 제 2 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서는, 전자총 부위는 도 1의 음극 섕크(18)와 음극 캡(16)의 상단이 세라믹 음극 마운트(22)의 상단 표면 레벨로 절단되었고, 참조부호 60으로 나타낸다. 금속 지지판(바람직하게는, 니켈 또는 스테인리스강; 62)는 금속-대-세라믹(metal-to-ceramic) 인터페이스 실린더(20)의 노출된 단부에 스폿(spot) 용접될 수 있다. 또한, 지지판(62)는 도전성 흑연 코팅, 즉 "애쿼닥", 또는 ABLEBOND 171-1 혹은 ABLEBOND 2106과 같은 고온 도전성 접착제를 이용하여 세라믹 음극 마운트(22)의 상단에 접착될 수 있다. 이것은 세라믹 음극 마운트(22)에 지지판(62)의 기계적 부착을 제공하고, 금속 세라믹 인터페이스 링(20) 및 음극 섕크(18)에 대한 지지판(62)의 전기적 연결을 제공한다. 전계 방전 기판(34)는 상기에서 설명된 접착제를 사용하여 금속 지지판(62)에 접착될 수 있다. 따라서, 전기적 접촉이 지지판(62), 전계 방전 어레이(32) 및 음극 섕크(18) 사이에 확립된다. 지지판은 전기 접촉 영역을 증가시키기 위한 몇가지 응용에 이용된다.

도 5는 FED 음극용 전자총의 제 3 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서, 전자총 부위는 냉음극 방전 어레이(32) 및 기판(34)이 세라믹 음극 마운트(22)에 부착되고, 참조 부호 70으로 나타낸다. 기판(34)은 상기에서 설명된 바와 같은 도전성 접착제를 사용하여 세라믹 음극 마운트(22)에 직접 접착된다. 이것은 금속 세라믹 인터페이스 링(20)에 대한 냉음극 어레이(32)의 전기적 연결을 제공하고, 이어 음극 섕크(18)에 대한 냉음극 어레이(32)의 전기적 연결을 제공한다. 각 실시예(도 3, 4, 및 5)에서, 코일 스프링(54)과 스프링 유지 디스크(56)는 세라믹 음극 마운트(22)의 뒤의 실린더(52 또는 72)내에 삽입되고, 스프링 유지 조립체(56)는 정위치에 용접 또는 다른 방법으로 고정된다. 이것은 음극 조립체를 보호하고, 범프(40)와 실린더(58) 면 사이에 밀착 힘(consistent force)을 제공한다. 금속 리본 또는 선(도시하지 않음)이, 전자총을 CRT에서 사용하는 현재 방법으로 실행하는 것과 같이, 전자총이 CRT내에 밀봉되기 전에 섕크(18), 모든 그리드 및 적합한 스템 핀 사이에 용접될 수 있다. 그 후, 수정된 전자총은 종래 기술을 이용하여 CRT내에 밀봉될 수 있다.

완성된 CRT에서 전자총을 FED로 작동하기 위해, 게이트 전위가 도 1의 그리드(G2; 26)용 과거의 스템 핀에 인가될 수 있고, 이는 이제, 도1의 그리드(G1; 24)용인 과거의 스템 핀과 음극 섕크(18)가 공통으로 연결되어 접지될 때, 실린더(58)에 전기적으로 연결된다. 대안적으로, 그리드(24)용 전자 스템 핀과 섕크(18)는 그리드(26)용 핀이 접지될 때, 부바이어스가 주어질 수 있다. 모든 다른 전자총 연결이 불변일 수 있다. 음극 가열기 또는 필라멘트는 수정된 전자총에 필요하지 않다. 전계 방전 음극은 종래 전자총 디자인에 대해 광범위한 수정 없이 열이온 음극을 교체하여 사용될 수 있다.

종래의 전자총이, 탄소-류 전계 방전 어레이를 갖는 도 3에 도시된 장치를 제조하기 위해 상기에서 설명된 과정에 따라 수정되었다. 도 1을 참조하면, 그리드(24)의 개구부는 수정된 조립체가 자유롭게 통과할 수 있을만큼 충분히 (또는 0.005 인치 내지 0.250 인치) 확대되었다. 필라멘트(12)가 제거되었다. 방전 코일(14)이 제거되었다. 세라믹 음극 마운트(22)는 음극 섕크(18)에 용접되었다. 이제 도 3을 참조하면, 전계 방전 어레이 기판(34)은 ABLEBOND 71-1에 의해 음극 캡(16)에 부착되었다. 상기 기판과 어레이는 탄소-계였고, 상기에서 인용된 계류중인 출원에서 설명된 방법에 따라 형성되었다. 접촉점의 크기와 구성은 도 2에서 나타낸 부위를 제조하기 위해 변형되었다. 세라믹 음극 마운트(22)는 실린더(52)에 삽입되고, 범프(40)는 실린더(58)와 접촉하도록 이동되었다. 그 후, 코일 스프링(54)이 실린더(52)에 삽입되고, 스프링 유지 조립체(56)가 정위치에 삽입되어 용접되었다. 전기적 연결부가 음극 섕크와 모든 전자총 그리드에 부착되었고, 전자총은 실험용 진공 챔버에서 테스트되어, 만족스럽게 동작하는 것을 발견하였다.

본 발명의 상술한 개시 및 설명이 도시 및 기술되었지만, 도시한 장치의 세부와 동작의 구성 및 방법에 있어서의 다양한 변형물이 본 발명의 사상으로부터 일탈하지 않고 이루어질 수 있다.

Claims (19)

1. 음극의 전계 방전 장치를 갖는 전자총으로서,

   음극 선관의 핀에 전기적으로 연결된 제1의 긴 중공의 몸체 및 제 2의 몸체와, 상기 제1 몸체 내에 포함된 지지부 조립체 및 스프링과, 상기 스프링으로부터 힘을 인가받고 상기 제1의 긴 몸체 내에서 한정적으로 슬라이딩되는 음극 마운트와, 상기 음극 마운트에 의해 지지된 생크와, 상기 생크에 의해 지지되고 상기 제1 몸체에 전기적으로 연결된 전계 방전 어레이 기판과, 상기 기판 상에 형성되고 추출 그리드를 갖는 전계 방전 어레이와, 상기 추출 그리드와 전기적으로 연결되고 상기 스프링에 의해 상기 제 2 몸체와 전기적으로 연결되도록 배치되는 다수개의 범프를 포함하는 전자총.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전계 방전 어레이는 탄소-계인 전자총.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1의 긴 중공의 몸체는 열이온 방전에 사용하기 위해 설계된 전자총의 그리드 1을 개조한 전자총.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 몸체는 열이온 방전에 사용하기 위해 설계된 전자총의 그리드 2을 개조한 전자총.
5. 제 1항에 있어서, 상기 스프링은 코일 스프링인 전자총.
6. 제 1항에 있어서, 상기 섕크와 상기 전계 방전 어레이 기판 사이에 배치된 금속 지지판을 더 포함하는 전자총.
7. 음극의 전계 방전 장치를 갖는 전자총으로서,

   음극 선관의 핀에 전기적으로 연결된 제1의 긴 중공의 몸체 및 제 2의 몸체와, 상기 제1 몸체 내에 포함된 지지부 조립체 및 스프링과, 상기 스프링으로부터 힘을 인가받고 상기 제1의 긴 몸체 내에서 한정적으로 슬라이딩되는 음극 마운트와, 상기 음극 마운트에 의해 지지된 전계 방전 어레이 기판과, 상기 제1 몸체에 전기적으로 연결된 전계 방전 어레이 기판과, 상기 기판 상에 형성되고 추출 그리드를 갖는 전계 방전 어레이와, 상기 추출 그리드와 전기적으로 연결되고 상기 스프링에 의해 상기 제2 몸체와 전기적으로 연결되도록 배치되는 다수개의 범프를 포함하는 전자총.
8. 제 7항에 있어서, 상기 전계 방전 어레이는 탄소-계인 전자총.
9. 제 7항에 있어서, 상기 제 1의 긴 중공의 몸체는 열이온 방전에 사용하기 위해 설계된 전자총의 그리드 1를 개조한 전자총.
10. 제 7항에 있어서, 상기 제 2 몸체는 열이온 방전에 사용하기 위하여 설계된 전자총의 그리드 2를 개조한 전자총.
11. 제 7항에 있어서, 상기 스프링은 코일 스프링인 전자총.
12. 전자총에 사용하기 위한 음극으로서:

    방전기와 절연층에 의해 상기 방전기로부터 이격되고 게이트 접촉층에 연결된 추출 그리드를 구비하는 전계 방전 어레이를 갖는 전계 방전 어레이 기판; 및

    상기 게이트 접촉층에 배치된 범프이되, 상기 범프에 의해 전기적으로 접촉되어 있는 상기 기판과 몸체를 이격시키는, 범프를 포함하는 음극.
13. 제 12항에 있어서, 상기 범프는 금 스터드 범프인 음극.
14. 전계 방전 장치의 음극을 갖는 전자총을 조립하는 방법으로서,

    (a) 다수의 범프에 전기적으로 연결된 추출 그리드를 구비하는 전계 방전 어레이를 갖는 기판을 제공하는 단계;

    (b) 제 1의 긴 중공의 몸체와, 전기적 접촉을 위한 영역을 갖는 제 2 몸체와, 스프링 및 지지부 조립체와, 상기 제 1의 긴 중공의 몸체내에서 슬라이딩하기 위한 음극 마운트와, 섕크를 제공하는 단계;

    (c) 상기 제 1 및 제 2 몸체를 비딩(beading)하는 단계;

    (d) 상기 기판을 상기 섕크에 부착하고 상기 섕크를 상기 음극 마운트에 부착하는 단계;

    (e) 상기 스프링이 상기 제 2 몸체를 향하여 상기 범프에 힘을 가하도록 상기 음극 마운트, 스프링 및 지지부 조립체를 상기 제 1의 긴 중공의 몸체에 삽입하고, 상기 스프링이 정위치에 유지되도록 상기 지지부 조립체를 상기 제 1의 긴 중공의 몸체에 부착하는 단계; 및

    (f) 상기 기판과 상기 제 1 및 제 2 몸체에 전기적 접촉을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
15. 제 14항에 있어서, 상기 제 1의 긴 중공의 몸체는 열이온 방전에 사용하기 위해 설계된 전자총의 그리드 1의 수정에 의해 제공되는 방법.
16. 제 14항에 있어서, 상기 제 2 몸체는 열이온 방전에 사용하기 위해 설계된 전자총의 그리드 2의 수정에 의해 제공되는 방법.
17. 제 14항에 있어서, 금속 지지판을 상기 기판과 섕크사이에 배치하고 도전성 코팅 또는 접착제로 상기 섕크, 금속 지지판 및 기판을 결합하는 단계를 추가적으로 포함하는 방법.
18. 제 14항에 있어서, 상기 단계 (d)에서 상기 기판은 도전성 코팅 또는 접착제에 의해 상기 섕크에 부착되는 방법.
19. 음극의 전계 방전 장치를 갖는 전자총을 조립하는 방법으로서:

    (a) 다수의 범프에 전기적으로 연결된 추출 그리드를 구비하는 전계 방전 어레이를 갖는 기판을 제공하는 단계;

    (b) 제 1의 긴 중공의 몸체와, 전기적 접촉을 위한 영역을 갖는 제 2 몸체와, 스프링 및 지지부 조립체와, 상기 제 1의 긴 중공의 몸체내에서 슬라이딩하기 위한 음극 마운트를 제공하는 단계;

    (c) 상기 제 1 및 제 2 몸체를 비딩하는 단계;

    (d) 상기 기판을 상기 음극 마운트에 부착하는 단계;

    (e) 상기 스프링이 상기 제 2 몸체를 향해 상기 범프에 힘을 가하도록 상기 음극 마운트, 스프링 및 지지부 조립체를 상기 제 1의 긴 중공의 몸체에 삽입하고, 상기 스프링이 정위치에 유지되도록 상기 지지부 조립체를 상기 제 1의 긴 중공의 몸체에 부착하는 단계; 및

    (f) 상기 기판과 상기 제 1 및 제 2 몸체에 전기적 접촉을 제공하는 단계를 포함하는 방법.