KR20030031287A - 함침형 음극 구조체 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 히터를 내장한 슬리브의 한쪽 끝에 전자 방사물질을 함침시킨 음극 기체를 고정한 함침형 음극 구조체의 제조 방법에 있어서,

상기 슬리브의 내면에, 고융점 금속 분말과 결합제 분말을 포함하는 슬러리를 모세관 현상을 이용하여 슬리브 내로 도입하고, 흡수제를 이용하여 슬리브 내의 불필요한 슬러리를 흡수하여 제거한 뒤, 건조시키고, 진공에서 열처리함으로써 슬리브의 내면에만 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체의 제조 방법을 제공한다.

Description

함침형 음극 구조체 제조방법{Method of manufacturing impregnated cathode assembly}

본 발명은 칼라 음극선관과 같은 전자관에 사용되는 음극 구조체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 함침형 음극 구조체의 슬리브 내면에 열전달 효율을 높일 수 있는 흑화층을 균일하게 부착, 형성하는 개선된 방법에 관한 것이다.

최근에, 스캐닝선을 증가시킴으로써 고해상도를 나타낼 수 있는 칼라 음극선관 및 고주파 신호와 양립할 수 있는 디스플레이관의 개발이 계속되고 있으며, 또한 프로젝션관 등에 대하여도 휘도를 증가시키고자 하는 요구가 높아지고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위하여는 음극으로부터 방출되는 전자 밀도를 증가시키는 것이 필요하다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 함침형 음극이 많은 주목을 받게 되었다. 일반적으로 함침형 음극은 산화물 음극보다 높은 전류밀도를 얻을 수 있다. 따라서 클라이스트론과 같은 전자관에 사용되어져 오고 있다.

그러나, 이러한 함침형 음극은, 그 동작 온도가 산화물 음극에 비하여 약 200℃ 정도가 더 높아서, 동작 중 히터의 온도는 약 1,250℃에 달하며, 이는 결과적으로 히터의 열적 변형 및 히터와 음극 사이의 전압 성능의 열화를 초래하게 된다. 이러한 히터의 온도를 낮추기 위하여, 히터로부터 음극으로의 열전달 효율을 증가시키고자 하는 많은 시도가 있었다.

이러한 시도로서, 열손실량을 줄이기 위하여 음극 부품의 크기를 축소시키는 방법이 있었으나, 이러한 크기 축소에는 한계가 있기 때문에, 더 큰 효과를 나타낼 수 있는 새로운 방법이 요구되게 되었다.

이러한 배경으로 등장한 새로운 방법은, 히터가 들어가는 슬리브 내면에 코팅을 함으로써 방사율을 증가시켜 열에너지를 함침형 음극의 펠릿으로 더 많이 전달하는 방법이다. 이를 위하여, 고융점 금속과 무기질 결합제 분말로 이루어진 슬러리를 사용하여 코팅을 하는 여러 가지 방법들이 모색되었다.

즉, 종래에는 슬리브 내면을 코팅하기 위하여, 슬리브 내외면을 동시에 코팅한 후 슬리브 바깥쪽의 코팅막을 제거하는 방법을 사용하였는데, 그 개략적인 방법은 도 1에 나타내었다. 도 1에 도시한 바와 같이, 텅스텐과 알루미나로 이루어진 코팅층을 슬리브 내면에 형성하기 위하여, 텅스텐과 알루미나 슬러리에 탄탈룸(Ta)슬리브를 담가넣어 슬리브 내/외면을 코팅한 후 꺼내어 일정시간 건조시키고, 코팅층이 완전히 건조되면 슬리브 외면에 있는 불필요한 코팅 입자들은 알코올을 이용하여 제거하고, 그리고 나서 슬리브 내면에 차 있는 슬러리는 공기로 불어 빼거나 흡수지 등을 이용하여 흡수하여 빼낸다. 슬리브 외면의 입자를 완전히 제거한 후 진공로에서 열처리하여 텅스텐과 알루미나 입자들이 탄탈룸 슬리브 내면에 완전히 고착되도록 한다. 이 경우, 슬리브는 두께가 수십 마이크론의 실린더 형태이기 때문에, 코팅 후 슬리브 내/외면의 불필요한 슬러리를 제거하는 과정에서 슬리브의 크기나 모양이 변하기 쉽고, 따라서 균일한 코팅 두께를 얻기가 어렵다. 또한 상기한 바와 같이, 슬리브를 슬러리에 담가 코팅하게 되면 두께 산포가 발생할 뿐만 아니라 공정이 복잡하게 된다.

따라서 슬리브의 외면은 코팅하지 않고, 내면만을 코팅하여 열처리하는 방법이 제안되었는데, 그 방법들에는 미국특허 제5,762,997호, 일본특허 공개번호 평11-329278호, 평11-135001호, 평6-260080호, 및 평5-299088호 등이 있다.

상기 미국특허 제5,762,997호, 일본특허 공개번호 평5-299008호, 및 일본특허 공개번호 평11-329278호는, 모두 음극의 슬리브 내면에 고융점 금속과 무기질 결합제 분말로 이루어진 슬러리를 코팅함으로써, 열효율이 향상되며 히터 열변형과 내전압 특성이 향상된 음극 구조체를 제공하고 있으나, 상기 발명들은 모두 코팅 방법으로서 코팅액을 슬리브에 직접 주입하는 방법을 채용하고 있다.

또한 상기 일본특허 공개번호 평11-135001호는 스퍼터링법을 이용하여 슬리브에 박막을 형성하는 방법을 제시하고 있다.

또한, 일본 특허 공개번호 평6-260080호는 열팽창에 안정하고 박리가 되지 않는 양산성 있는 함침형 음극 구조체 및 제조방법을 제공하고 있으나, 슬리브 내면에 코팅하는 방식으로서, 고융점 분말 소결체와 고융점 금속층재로 된 페이스트를 제조하고 이 페이스트에 담갔던 탈지면을 슬리브에 삽입하여 페이스트를 슬리브 내면에 도포하는 방법을 사용하고 있다.

상기한 슬리브의 내면 코팅 방법은 모두 그 공정이 복잡하고, 슬리브의 변형 및 파손 우려가 있으므로, 불필요한 공정을 제거함으로써 보다 더 단순화시킬 필요가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한, 본 발명은 슬리브 외면을 코팅하지 않고 내면만 코팅하여 열처리하는 방법을 제공하되, 공정이 단순하고 경제적이며, 불필요한 코팅액을 제거하는 과정에서 슬리브의 변형 및 손상을 초래하지 않는 함침형 음극 구조체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 함침형 음극 구조체의 제조방법을 개략적으로 도시한 흐름도이고,

도 2는 본 발명에 따른 함침형 음극 구조체의 제조방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

히터를 내장한 슬리브의 한쪽 끝에 전자 방사물질을 함침시킨 음극 기체를 고정한 함침형 음극 구조체의 제조 방법에 있어서,

상기 슬리브의 내면에, 고융점 금속 분말과 결합제 분말을 포함하는 슬러리를 모세관 현상을 이용하여 슬리브 내로 도입하고, 흡수제를 이용하여 슬리브 내의 불필요한 슬러리를 흡수하여 제거한 뒤, 건조시키고, 진공에서 열처리함으로써 슬리브의 내면에만 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체의 제조 방법을 제공한다.

상기 슬러리는 고융점 금속 분말과 결합제 분말을 고분자 계면활성제 내에 분산시켜서 제조하되, 슬러리가 슬리브 내로 모세관 상승을 할 수 있도록 하는 범위의 점도를 갖도록 제조하는 것이 바람직하다. 상기 슬러리의 바람직한 점도는 0.01 내지 1 Pa·s이다.

상기 고융점 금속은, 몰리브덴(Mo), 탄탈룸(Ta), 니오비움(Nb), 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하다.

상기 결합제는, 알루미나(Al₂O₃), 산화 지르코늄(ZrO₂), 베리리아(BeO), 스피넬(MgAl₂O₄), 및 지르콘(ZrO₂·SiO₂)으로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하다.

상기 슬리브는 모세관 현상을 일으킬 수 있는 직경과 길이를 가지며, 바람직하게는 상기 슬리브의 직경은 0.9 내지 1.3mm이고, 길이는 3.0 내지 4.5mm이다. 또한 상기 슬리브는 융점이 약 1700℃ 이상인 고융점 금속 또는 그러한 금속을 주성분으로 포함하는 합금 재질인 것이 바람직하다.

상기 슬러리는 텅스텐과 알루미나를 30:70 내지 80:20의 비율로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 텅스텐의 평균입자크기는 0.05 내지 2 ㎛이고, 알루미나의 평균입자크기는 1 내지 6 ㎛인 것이 바람직하다.

이하 본 발명을 보다 상세히 살펴보기로 한다.

본 발명은 히터를 내장한 슬리브의 한쪽 끝에 전자 방사 물질을 함침시킨 음극 기체를 고정한 함침형 음극 구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 슬리브의 내면에 고융점 금속 분발과 결합제 분말을 포함하는 슬러리를 모세관 현상을 이용하여 슬리브 내로 도입하고, 흡수제를 이용하여 슬리브 내의 불필요한 슬러리를 흡수하여 빼낸 뒤, 건조시키고 진공에서 열처리함으로써 슬리브의 내면에만 코팅층을 형성하여 함침형 음극 구조체를 제조한다.

본 발명의 주요한 특징은 모세관 현상을 이용하는 슬리브 내부만을 코팅하는 것이다. 따라서 상기 함침형 음극 구조체 제조방법에서, 상기 슬러리는 고융점 금속 분말과 결합제 분말을 고분자 계면활성제 내에 분산시켜 제조하되, 상기 슬러리가 슬리브 내로 모세관 상승을 할 수 있는 점도를 갖는 것이 중요하다.

슬러리가 슬리브 내부를 채울 수 있는 높이는 입자의 부피, 슬러리와 슬리브간의 표면장력, 그리고 슬러리와 슬리브 내면 사이의 접촉각에 의해 달라진다. 슬리브의 길이가 모세관 현상에 의한 상승이 충분한 길이라면 슬리브 내면 코팅 두께와 모세관 상승 속도는 슬러리의 점도에 의해 영향을 받게 된다. 슬러리의 점도는 또한 코팅액으로 사용되는 입자, 즉 텅스텐과 알루미나 입자의 크기, 함량, 및 분산안정제로 사용되는 고분자에 따라 달라지게 된다. 본 발명의 실시예들에 의하면 상기 슬러리의 점도는 0.01 내지 1 Pa.s인 것이 바람직한 것으로 나타났다. 상기 슬러리의 점도가 0.01 Pa.s 이하에서는 코팅액이 흘러내려 코팅이 어려워지므로 바람직하지 않고, 그 점도가 1 Pa.s 이상에서는 모세관현상이 일어나기 힘들기 때문에 바람직하지 않다.

상기 고융점 금속은, 몰리브덴(Mo), 탄탈룸(Ta), 니오비움(Nb), 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하고, 상기 결합제는, 알루미나(Al₂O₃), 산화 지르코늄(ZrO₂), 베리리아(BeO), 스피넬(MgAl₂O₄), 및 지르콘(ZrO₂·SiO₂)으로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하다.

또한 상기 제조 방법에 있어서, 상기 슬리브는 모세관 현상을 일으킬수 있는 직경과 길이를 갖는 것이 중요한데 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하면 상기 슬리브의 직경은 0.9 내지 1.3 mm이고, 길이는 3.0 내지 4.5 mm이다. 함침형 음극에 사용되는 슬리브의 직경과 길이는 모세관 현상을 이용한 내면 코팅이 충분히 가능한 치수임을 확인하였다.

또한, 상기 슬리브는 융점이 1700℃ 이상인 고융점 금속 또는 그러한 금속을 주성분으로 포함하는 합금 재질인 것이 바람직하다. 음극 구동 온도가 950℃이므로 슬리브 내면은 1200℃이상일 수 있고, 공정 중에 1400℃까지 올라가므로 상기 온도와 같은 고융점 금속이 아니면 시간이 지남에 따라 변형이 발생하게 된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 슬러리는 텅스텐과 알루미나를 30:70 내지 80:20의 비율로 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 텅스텐의 평균 입자 크기는 0.05 내지 2 ㎛이고, 알루미나의 평균입자크기는 1 내지 6 ㎛인 것이 바람직하다. 슬리브 내면의 코팅 두께는 대략 10∼20 ㎛인데 입자가 너무 크면 이 두께 범위를 벗어나고 입자가 한층으로만 형성하기는 어렵기 때문에 바람직하지 못하다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 슬러리를 1 내지 2 mm의 두께로 평평한 평면상에 깔고, 슬리브를 수직으로 세워서 모세관 현상을 유도하는 것이 바람직하다. 이 두께는 코팅액이 닿는 슬리브의 외부면적을 최소화함과 동시에 모세관 현상이 가능한 최소의 두께이다. 이 두께가 중요한 또 하나의 이유는 함침형 음극 구조체의 조립시 슬리브의 한쪽 개구부에 리본이 용접된다는 것이다. 슬리브 외면에 미세한 코팅층이 형성된 경우에는 리본의 용접에 큰 영향을 미치지 않고 또한 음극 온도에도 크게 영향을 주지 않는다. 환언하면 슬리브 외면의 코팅층이 넓을수록 고온에서의 방사율이 높기 때문에 열손실이 많게 된다. 이러한 이유로 코팅액의 두께를 최소로 하고 그 위에 탄탈룸 슬리브를 도 2에 도시한 바와 같이 수직으로 세우게 되면 모세관 현상에 의하여 슬러리가 슬리브의 내면을 채우면서 상단 개구부까지 올라오게 된다.

도 2는 함침형 음극용 슬리브의 내면을 흑코팅하는 공정을 개략적으로 도시한다. 슬리브의 내경이 충분히 작기 때문에 모세관 현상에 의한 슬러리의 상승이 가능하다. 이렇게 했을 경우, 도 2와 같이 슬리브의 외면에는 슬러리가 코팅되지 않게 된다. 또한 미국특허 제5,762,997호, 일본특허 공개번호 평11-329278호, 및 일본특허 공개번호 평5-299008호에서와 같은 직접 주입공정이나 일본특허 공개번호 평6-260080호에서와 같이 내부 도포공정 또는 일본특허 공개번호 평11-135001호에서와 같은 스퍼터링과 같은 공정을 생략할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 실시예는 단지 예시적인 것으로, 본 발명의 범위가 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

함침형 음극 구조체의 내부 흑코팅용 슬러리를 제조하기 위하여, 텅스텐 1 중량부, 알루미나 1.9 중량부, 및 고분자 계면 활성제인 니트로셀룰로오즈 0.2 중량부를 용매인 메탄올 10.5 ml에 잘 혼합하여 균질한 슬러리를 얻었다. 이때 사용된 텅스탠의 입자 크기는 0.09∼0.95 ㎛이었고, 알루미나는 2∼6 ㎛이었다. 슬리브로는 융점이 2996℃인 탄탈룸을 사용하였다.

상기 슬러리를 평평한 평면상에 약 1 내지 2 mm의 두께로 깔고, 슬리브를 수직으로 슬러리에 담가 모세관 현상을 유도하였다. 이때 사용된 슬리브의 내부직경은 1.12 mm이고, 길이는 4.0 mm이었다. 모세관 현상에 의하여 상기 슬리브의 내부를 상기 슬러리로 채운 후, 흡수제로 종이(Kimwipes)를 사용하여 내부를 채우고 있는 불필요한 슬러리 코팅액을 제거하였다. 그런 다음 슬리브를 건조하고 진공열처리 하면, 알루미나의 일부가 녹아서 슬리브 내면에 코팅층을 형성하게 되고, 그 두께는 5 내지 15 ㎛ 이었다.

본 발명은 함침형 음극에 사용되는 슬리브의 직경과 길이가 모세관 현상을 이용하여 내면 코팅을 하기에 충분하므로 이를 이용하여 불필요한 공정을 줄여서 함침형 음극 구조체의 제조공정을 단순화 하였다.

Claims (9)

1. 히터를 내장한 슬리브의 한쪽 끝에 전자 방사물질을 함침시킨 음극 기체를 고정한 함침형 음극 구조체의 제조 방법에 있어서,

   상기 슬리브의 내면에, 고융점 금속 분말과 결합제 분말을 포함하는 슬러리를 모세관 현상을 이용하여 슬리브 내로 도입하고, 흡수제를 이용하여 슬리브 내의 불필요한 슬러리를 흡수하여 제거한 뒤, 건조시키고, 진공에서 열처리함으로써 슬리브의 내면에만 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬러리는 고융점 금속 분말과 결합제 분말을 고분자 계면활성제 내에 분산시켜서 제조하되, 슬러리가 슬리브 내로 모세관 상승을 할 수 있도록 하는 범위의 점도를 갖도록 제조하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 슬러리의 점도는 0.01 내지 1 Pa·s인 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체의 제조 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고융점 금속은, 몰리브덴(Mo), 탄탈룸(Ta), 니오비움(Nb), 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체 제조방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 결합제는, 알루미나(Al₂O₃), 산화 지르코늄(ZrO₂), 베리리아(BeO), 스피넬(MgAl₂O₄), 및 지르콘(ZrO₂·SiO₂)으로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체 제조방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 슬리브는 모세관 현상을 일으킬 수 있는 직경과 길이를 가지며, 융점이 약 1700℃ 이상인 고융점 금속 또는 그러한 금속을 주성분으로 포함하는 합금 재질인 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 슬리브의 직경은 0.9 내지 1.3mm이고, 길이는 3.0 내지 4.5mm인 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체의 제조방법.
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬러리는 텅스텐과 알루미나를 30:70 내지 80:20의 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 텅스텐의 평균입자크기는 0.05 내지 2 ㎛이고, 알루미나의 평균입자크기는 1 내지 6 ㎛인 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체 제조방법.