KR20030030686A - 전자관용 금속 음극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자관용 금속 음극에 관한 것으로서, Pt₅La, Pt₃Sc, Pt₂Ti, Pt₄Y, Pt₃Y, Pt₅Hf, PtEr, 또는 Pt₅Ce를 주성분으로 하는 합금 금속에, 몰리브덴, 탄탈, 및 텅스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 0.1 내지 20 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자관용 금속 음극을 제공한다. 본 발명에 따른 금속 음극은 공정효율이 높고 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.

최근 고정세, 대형화 추세에 따라 고전류, 장수명 음극에 대한 요구가 커지고 있는데 기존의 산화물 음극은 수명 문제로 이러한 요구에 대응하지 못한다는 단점이 있으며, 또한 산화물 음극은 탄산염이 산화물로 바뀌는 배기 공정에 많은 시간이 소요됨으로써 제조 효율이 떨어진다는 문제점을 가지고 있다.

고전류, 장수명 음극에 대한 요구에 부응하기 위하여 함침형 음극이 제시되고 있으나, 제조 방법이 복잡하고, 제조 비용이 고가이며, 기존 제조 공정과의 호환성이 100% 있다고 말할 수 없으며, 또한 장시간의 활성화 공정(전자방출이 풍부하고 안정되게 나오게 하는 처리공정)이 필요하다. 더 나아가, 수명 특성에 있어서도 기체의 공극에 전자 방출 물질이 신뢰성 있게 들어가지 못할 경우 특성에 악영향을 미치며, 사용 중 전자 방출 능력이 급격하게 떨어지게 되는 문제점도 있다.

상기와 같은 이유 때문에 전술한 산화물 음극 및 함침형 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 형성시킨 음극이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법에 의하면 음극 생산비용이 상당히 증가하며 음극의 수명을 크게 개선하기도 어렵다.

또한 러시아 특허 제 1365948호에는 백금족 원소와 알칼리 토금속으로 이루어진 금속 합금 음극에 내열성 금속을 첨가하여 전자방출능력을 향상시키고, 고온에서 형태안정성을 지니며, 가공성이 향상되고 비용을 낮춘 음극이 개시되어 있다. 그러나 이 방법에 의하면 온도가 기존 산화물 음극보다 높아 재료가 쉽게 증발되므로 장시간 사용에 부적절하다는 문제점이 여전히 존재한다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여 기존의 산화물 음극이나 금속 음극보다 전자방출능력이 크고 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 것이고,

도 2는 음극의 종류에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.

*부호의 간단한 설명

11 ... 본 발명의 금속 음극13 ... 히터

15 ... Mo 슬리이브

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은,

Pt₅La, Pt₃Sc, Pt₂Ti, Pt₄Y, Pt₃Y, Pt₅Hf, PtEr, 또는 Pt₅Ce를 주성분으로 하는 금속 합금에, 몰리브덴, 탄탈, 및 텅스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 0.1 내지 20 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자관용 금속 음극을 제공한다.

상기와 같은 본 발명의 금속 음극은, 바륨, 스트론튬, 및 칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 2족 원소를 0.5 내지 25 중량% 더 포함할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기와 같은 금속 음극을 구비한 것을 특징으로 하는 전자관용 음극 구조체를 제공한다.

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

Pt, Pd, Ir 등의 백금족계 원소와 Ba, Sr, Ca 또는 희토류계(Ce, Pr) 원소등의 합금 에미터들은 마그네트론(magnetron)이나 TWT(Traveling Wave Tube), BWT(Backward Wave Tube) 등의 음극으로 사용되어 왔는데, 열전자 방출 음극이 아니라 1차 전자가 재료에 충돌하여 그 에너지로 2차 전자가 방출되는 2차 전자 방출 음극으로서 사용되었다. 종래의 마그네트론에서 2차전자 방출 음극으로 사용되는 백금족 원소-Ba의 합금 에미터에 있어서는, Ba 첨가로 인하여 열전자로 사용하기에는 온도가 높으며, 수명이 1000시간 정도로 짧아 전자관용 열전자 방출 음극으로 사용하기는 부적절하였다.

본 발명에서는 새로운 조성을 갖는 합금 금속을 음극 재료로 사용함으로써 전자방출능력이 크고 균일하며 수명 또한 향상된 금속 음극을 전자관의 열전자 방출물질로 사용하는데 특징이 있다.

본 발명의 금속 음극은, Pt₅La, Pt₃Sc, Pt₂Ti, Pt₄Y, Pt₃Y, Pt₅Hf, PtEr, 또는 Pt₅Ce를 주성분으로 하는 금속 합금에, 몰리브덴, 탄탈, 및 텅스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 0.1 내지 20 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다. Pt₅La 등의 합금은 기본적인 전자 방출 물질로서의 역할을 하게 되며, Mo, Ta, 및 W는 전자방출물질의 확산을 돕는 역할을 하게 된다.

Pt₅La 등의 합금 금속의 함량이 0.1 중량% 미만이면, 전자방출에 문제점이 있고, 또한 20 중량%를 초과하면 강도가 너무 높아져서 금속을 음극형태로 가공시에 부서지기 쉽다는 등의 문제점이 있다.

상기와 같은 본 발명의 금속 음극은, 바륨, 스트론튬, 및 칼슘으로 이루어진군으로부터 선택되는 하나 이상의 2족 원소를 0.2 내지 25 중량% 더 포함하는 것이 바람직하다. Ba, Sr, Ca을 첨가함으로써 전자 방출양을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.

상기 2족 원소의 함량이 0.2 중량% 미만이면, 전자방출에 문제점이 있고, 그 함량이 25 중량%를 초과하면 금속음극이 부스러지며 잉여 Ba 등이 산화되는 문제점이 있다.

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

본 발명의 금속 음극은, 먼저 Pt와 La, Pt와 Sc, Pt와 Ti, Pt와 Hf, Pt와 Er, 또는 Pt와 Ce를 일정한 비율로 하여 합금화하여, Pt₅La, Pt₃Sc, Pt₂Ti, Pt₄Y, Pt₃Y, Pt₅Hf, PtEr, 또는 Pt₅Ce의 합금을 생성한다.

상기와 같은 조직으로 구성된 기체를 제조한 후, 여기에 다시 첨가 물질로서 고융점 환원성 금속인 Mo, W, Ta를 첨가하여 용융 합금함으로써 본 발명의 금속 음극을 완성한다. 이 때, Ba, Sr, Ca를 추가로 더 첨가하여 용융 합금할 수도 있다.

본 발명의 제조방법에 있어서, 합금화하는 상기 금속재료의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 분말 또는 잉고트 상태로 사용하거나, 블록 형태도 사용될 수 있다. 또한 금속의 용융은, 순간적으로 금속을 융해시킬 수 있는 아크로를 사용하는 것이 바람직한데, 이 때 낮은 융점을 갖는 물질의 증발에 유의하여야 한다. 융점이 낮은 금속은 증발하기 쉬우므로 일정한 비율 이상 추가로 더 첨가할 수도 있다.첨가 비율을 보통 0.05-1중량%를 더 넣는다.

금속 재료를 아크로의 구리 포트에 넣는다. 이어서 아크로 내부를 진공 상태로 유지한 후 Ar 가스와 같은 불활성 기체를 거의 대기압 가까이 되도록 주입한다. 그런 다음, 아크로에 전압을 인가하여 짧은 시간 내에 재료 금속들을 융해시킨다. 이 때 텅스텐과 같은 금속봉으로 잘 저어주어 재료 금속들의 합금화가 잘 이루어지도록 한다.

용해 후 응고된 금속을 상하 뒤집어 가며 수 차례 용해를 실시한다. 이것은 비중 차이로 인하여, 용해 후 응고시 서로 균일한 조성으로 합금화되지 못하고 따로따로 존재할 가능성이 있으므로, 용해 및 응고 공정을 수회 이상으로 반복하여 균일한 합금화를 진행시키도록 하기 위함이다. 이와 같은 방법으로 융해, 응고된 금속체인 전자 방출 재료를, 각각 다른 부분에서 시료를 채취하여 분석하면 균일한 상을 볼 수 있다.

제조된 합금은 브라운관의 음극 구조에 맞도록 절단 또는 성형한 후 도 1과 같이 용기의 상부에 용접하여 히터로 가열되도록 하여 제품을 완성한다.

상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명의 음극은 기존의 산화물 음극에 비하여 우수한 고전류 장수명 효과를 갖는다. 즉, 도 2에 나타난 바와 같이, 기존의 산화물 음극은 전류 밀도가 2A/cm²이며, 고전류에서 계속 사용할 경우 수명이 매우 짧은 반면, 본발명의 금속 음극은 전류 밀도가 5A/cm²로서 고전류 영역에서 장수명으로 사용이 가능하며, 그 수명도 1만 시간 이상이다.

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

실시예 1

금속 덩어리 형태의 Pt와 La를 100:1.5의 중량비로 칭량한 후, 아크로에 넣는다. 이어서 아크로 내부를 진공 상태로 유지한 후 Ar 가스를 주입하였다. 그런 다음, 아크로에 전압을 인가하여 상기 재료 금속을 융해시키고 텅스텐 봉으로 잘 저어주어 합금화가 잘 이루어지도록 하였다. 합금 후의 조직은 Pt₅La가 주성분인 합금 조직이 형성되었다.

이와 같이 형성된 Pt₅La에 Mo를 0.5중량% 첨가하여 다시 상기와 동일한 방법으로 용융합금하여, 본 발명의 금속 음극에 사용될 수 있는 합금을 제조하였다. 이 때 융해 후 응고된 금속은 상하 뒤집어 가며 3 차례 용해, 응고를 반복 실시하여 합금의 화학적 및 미세구조적 균일성이 향상되도록 하였다.

이렇게 제조된 합금을 음극 구조에 적합하도록 절단, 성형한 후 음극 구조체를 제작하였다.

실시예 2

금속 덩어리 형태의 Pt와 Sc를 100:2의 중량비로 칭량한 후, 아크로에 넣는다. 이어서 아크로 내부를 진공 상태로 유지한 후 Ar 가스를 주입하였다. 그런 다음, 아크로에 전압을 인가하여 상기 재료 금속을 융해시키고 텅스텐 봉으로 잘 저어주어 합금화가 잘 이루어지도록 하였다. 합금 후의 조직은 Pt₃Sc가 주성분인 합금 조직이 형성되었다.

이와 같이 형성된 Pt₅La에 W를 1.0중량% 첨가하여 다시 상기와 동일한 방법으로 용융합금하여, 본 발명의 금속 음극에 사용될 수 있는 합금을 제조하였다. 이 때 융해 후 응고된 금속은 상하 뒤집어 가며 3 차례 용해, 응고를 반복 실시하여 합금의 화학적 및 미세구조적 균일성이 향상되도록 하였다.

상기 합금을 음극 구조에 적합하도록 절단, 성형한 후 음극 구조체를 제작하였다.

상기 실시예에 따라 제조한 금속 음극의 전류 밀도를 기타의 음극과 비교하여 도 2에 나타내었다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 금속 음극은 산화물 음극이나 함침형 음극에 비하여 높은 전류 밀도를 가짐으로써, 장수명의 사용이 가능하다.

또한 본 발명에서는 최적의 함량을 갖는 새로운 조성의 합금을 금속 음극에 적용함으로써, 수명 특성, 동작 온도, 가공성, 용접성 등의 특성이 우수하다. 이 중 동작 온도는 합금 조성에 따라 약간의 차이가 있으나, 대략 1000℃에서 동작된다.

본 발명의 금속 음극은, 기존의 음극 구조와 호환이 가능하고, 산화물 음극에서 필요한 장시간의 배기 에이징 공정이 10분 이내로 매우 짧아지므로 공정성이 우수하다. 동시에 고전류 장수명의 특성을 가짐으로써, 브라운관에서 열전자 방출 음극으로서 매우 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (3)

1. Pt₅La, Pt₃Sc, Pt₂Ti, Pt₄Y, Pt₃Y, Pt₅Hf, PtEr, 또는 Pt₅Ce를 주성분으로 하는 금속 합금에, 몰리브덴, 탄탈, 및 텅스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 0.1 내지 20 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자관용 금속 음극.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 음극은 바륨, 스트론튬, 및 칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 2족 원소를 0.5 내지 25 중량% 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 음극.
3. 제1항 또는 제2항의 금속 음극을 구비한 것을 특징으로 하는 전자관용 음극 구조체.