KR20040094668A - 개선된 수명을 가진 음극선관용 음극 - Google Patents

Abstract

진공관용 주입 음극은 알칼리 토금속들의 화합물이 주입된 다공성 펠릿(11)의 형태인 방출성 부분을 포함하고, 상기 펠릿은 내열성 물질로 만들어진 접시(12)에 놓여져 있으며, 상기 음극의 방출성 표면을 형성하는 다공성 금속 호일(13)로 커버된다. 또한, 상기 펠릿은 많이 주입된 영역과 주입되지 않았거나 또는 약하게 주입된 영역(10) 사이에 분리 표면(18)을 가져서, 상기 분리 표면은 상기 방출성 표면을 향해 적어도 1개의 속이 빈 부분을 포함한다. 이 분리 표면의 형태로 인해, 음극의 수명이 개선된다.

Description

개선된 수명을 가진 음극선관용 음극{CATHODE FOR CATHODE RAY TUBE WITH IMPROVED LIFETIME}

주입 음극은 다르게는 펠릿(pellet)이라고 부르는 다공성 금속 몸체로 이루어지고, 이 펠릿에는 전자들을 방출할 수 있는 주입제(impregnating agent)라고 불리는 물질이 주입되며, 이 물질을 주로, 예를 들어 바륨 산화물과 같은 금속 산화물로 이루어진다. 다공성 금속 몸체는 일반적으로 예를 들어 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 내열성 금속으로 만들어진다. 다공성 금속 몸체는 내열성 물질로 만들어진 금속 접시 안에 놓여진다. 고체 호일에 구멍을 뚫거나, 압착(pressing), 소결(sintering), 및 가능한 주입으로 얻어진 다공성 금속 호일은 펠릿 위에 놓여진다. 주입 물질은 펠릿과 화학적으로 반응하여 방출성 물질(emissive material), 예를 들어 바륨 또는 바륨 산화물을 주 원료로 한 물질을 만들어 내고, 이 방출성 물질은 펠릿에서 이동하여 금속 호일의 표면을 코팅하기 위해 금속 호일의 세공(pore)들을 통과하게 되어, 상기 표면이 음극의 방출성 표면을 형성하게 된다.

음극선관 분야에서, 현재의 경향은 고선명(high-definition) 응용, 예를 들어 텔레비전 분야에서, 이들 음극선관을 사용하기 위해 음극 전류 밀도를 크게 증가시키는 방향으로 크게 증가하는 추세다. 이제, 음극의 수명은 요구되는 전류 밀도에 크게 의존한다는 것이 주목되었다.

주입 음극들의 수명을 증가시키는 다양한 방법들이 제안되었는데, 예를 들면

- 주입된 펠릿의 다공성을 감소시키거나 동작 온도를 낮춤으로써 바륨과 같은 방출성 물질의 증발을 더 늦추는 것,

- 펠릿의 부피를 증가시키거나 펠릿 아래에 저장 용기(reservoir)를 추가함으로써, 주입 물질의 저장 용기 즉, 방출성 물질의 저장 용기를 증가시키는 것이 있다.

하지만, 비록 이들 해결책들이 낮은 전류 밀도에서는 음극의 수명을 증가시키는 것을 가능하게 하지만, 다음 이유들로 인해 높은 전류 밀도에서는 음극의 수명이 실질적으로 변경되지 않는다. 즉,

- 다공성이 감소되면, 이는 주입 물질의 저장 용기의 크기 감소를 가져온다.

- 동작 온도가 감소되면, 전자 방출이 감소한다.

- 방출성 물질의 흐름이 그것을 방출성 표면으로부터 분리시키는 거리에 따라 감소하는데, 이는 그 경로를 따라 방출성 물질이 진공에 노출된 그것의 표면적에 비례하여 증발하기 때문이다.

- 펠릿 아래에 저장 용기를 추가하는 것은 대량 거래 제품들을 제조하는데 사용될 수 없고 음극의 활동을 더 길게 만드는 특히 비용이 많이 드는 해결책이다.

본 발명의 주제는 음극선관용의 주입 음극으로, 좀더 구체적으로는 개선된 수명을 가지는 주입 음극이다.

도 1은 종래 기술에 따른 주입 음극의 일 실시예를 도시하는 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 음극의 다른 실시예를 도시하는 도면.

본 발명의 주제는 방출성 물질의 저장 용기의 크기가 아니고 방출성 물질의 흐름, 좀더 구체적으로는 저장 용기가 비게 되는 속도에 영향을 미치게 할 수 있는 특별한 음극 구조물이이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 주입 음극은 알칼리 토금속 화합물이 주입용 다공성 방출성 펠릿을 포함하고, 상기 펠릿은 내열성 물질로 만들어진 접시에 놓여지고 음극의 방출성 표면을 형성하는 다공성 금속 호일로 커버되며, 상기 펠릿은 많이 주입된 영역과 주입되지 않거나 약하게 주입된 영역 사이의 분리 표면을 가지고, 상기 분리 표면은 방출성 표면을 향하는 적어도 1개의 속이 빈 부분을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명 및 그 장점들은 아래의 상세한 설명과 도면들을 사용하여 좀더 명확히 이해될 것이다.

종래 기술에 따른 주입 음극은, 예를 들어 미국 특허 번호 4,101,800호에 설명되어 있다. 도 1에 도시된 이러한 종류의 음극은, 예를 들어 바륨 또는 칼슘과 같은 알칼리 토금속들의 화합물과 같은 방출성 물질들로 만들어진 균일하게 주입된 다공성 펠릿(1)을 포함하고, 이 펠릿은 몰리브덴 또는 탄탈과 같은 내열성 물질로 만들어진 접시(2)에 삽입된다. 이 펠릿은 레이저 용접 또는 납땜(brazing)에 의해 접시에 부착된 다공성 물질의 호일(3)로 커버된다. 금속 호일(3)은 예를 들어 텅스텐과 같은 금속을 압착하고 소결시킴으로써 만들어진다. 접시(2)는 음극의 가열 필라멘트(4)가 내부에 놓여진 속이 빈 원통형 슬리브(6)에 고정된다.

음극 동작 동안, 바륨과 바륨 산화물과 같은 방출성 물질들이 펠릿의세공(pore)들에 생성되고 방출성 표면쪽으로 이동하고 그것의 구멍(5)들을 통해 호일(3)을 통과하게 된다. 펠릿에 의해 확산된 증발한 바륨은 계속해서 호일(3)을 통한 그것의 경로로 확산되며 일부는 호일(3) 위에 쌓이고, 다른 일부는 증기 형태로 통과하게 된다. 호일의 다공성이 낮을수록, 바륨이 증착되는 부분은 더 커진다. 증착되는 바륨은 펠릿의 동작 온도와 거의 동일한 호일의 높은 온도 때문에, 매우 신속하게 퍼지고 표면에 걸쳐 균일하게 된다. 구멍 뚫린 호일의 상부 표면에 걸쳐 퍼진 바륨은 구멍 뚫린 호일로 하여금 전자 방출 표면의 역할을 하게 한다.

주입제와 펠릿을 구성하는 텅스텐과 같은 물질 사이의 화학 반응에 의해 바륨의 흐름이 일어나고, 이 흐름은 방출 표면(3)에 의해 형성된 자유 경로쪽으로 향하게 된다. 그러므로, 공핍(depletion) 전면(7)이 형성되고, 그 표면은 펠릿의 방출 표면과 실질적으로 평행하다. 공핍 전면은 방출성 물질이 매우 공핍되고 호일(3) 바로 아래에 위치한 영역(8)과 방출성 물질의 밀도가 아직 바뀌지 않은 더 깊은 영역(9) 사이에 경계를 한정한다. 공핍 전면은 음극의 수명 동안에 방출성 표면에 실질적으로 평행한 표면을 가지면서 이동하고, 방출성 표면 아래에 바륨이 위치하게 되는 깊이는 음극의 동작 수명에 따라 점진적으로 증가한다.

본 발명은 동작하는 동안 발견된 사실에 기초한 것으로, 그것은 공핍 전면이 느린 연소 전면과 같이 그것의 초기 표면에 실질적으로 평행한 표면을 가지면서 이동한다는 점이다. 또한, 바륨과 같은 방출성 물질의 흐름은 방출성 표면으로부터 방출성 물질을 분리시키는 거리에 따라 감소한다. 이 결과는 방출성 표면으로부터 멀리 위치한 바륨은 사용될 수 없다는 것이다. 1981년 노쓰 홀랜드(North Holland)출판사에서 발간된 "표면 과학의 응용 8"의 36 내지 49페이지에 A.M. Shroff에 의해 기술된 바와 같이, 방출성 물질의 흐름은, 흐름이 음극이 사용된 시간의 제곱근에 반비례한다는 법칙에 따라 공핍 전면이 방출성 표면으로부터 점점 멀어짐에 따라 감소한다.

2가지 현상이 방출성 물질의 흐름 감소를 일으킨다:

- 바륨까지 확산될, 표면 쪽으로 바륨 산화물의 확산은 화학 반응 잔류물이 구멍들에 점점 누적됨에 따라 점차 어렵게 된다.

- 공핍 전면이 방출성 표면으로부터 점차 멀어짐에 따라, 방출성 물질은 분리에 비례하여 증가된 진공에 노출된 방출성 물질의 표면적에 비례하여 증발한다.

- 공핍 전면이 방출성 표면으로부터 점차 멀어짐에 따라, 방출성 물질은 더 큰 거리를 따라 확산해야 하고, 그것의 경로 상에서, 또한 표면에 도달하는 물질의 양을 감소시키는 거리에 따라 증가하는 금속 표면을 커버하는 경향이 있다.

본 발명은 펠릿에서 발생하는 화학적인 현상 또는 그것의 다공성 또는 그것의 동작 온도를 바꾸지 않고 이들 문제점들에 대한 해결책을 제공한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 방출성 물질 소스의 기능과 방출성 표면의 기능을 분리시켜 그들 사이의 방출성 물질의 흐름을 기하학적으로 증폭시킨다.

이를 위해, 음극은 접시(12)에 삽입된 방출성 펠릿(11)으로 이루어진다. 펠릿은, 예를 들어 텅스텐 분말을 압착 및 소결시킴으로서 만들어진 다공성 금속 호일(13)로 커버되고, 금속 호일은 주입 물질로 유리하게 채워질 수 있다.

펠릿의 제조시, 펠릿(11)은 많이 주입된 영역(19)과 약하게 주입되거나 전혀 주입되지 않은 영역(10)을 가지는 특별한 특징을 가진다. 이들 2개의 영역들 사이의 분리 표면(18)은 오목한 기하학적 특성을 가지고, 음극의 방출성 표면을 형성하는 호일(13)과 펠릿의 많이 주입된 부분(19) 사이의 적어도 1개의 공동(hollow)을 가진다.

도 2에 도시된 실시예에서, 분리 표면(18)은 펠릿의 중심에 배열된 반구형 함몰부를 가진다. 펠릿(11)은 바람직하게는 15%와 35% 사이의 다공성을 가지며 직경(16)이 1.3㎜이다. 펠릿의 깊이(14)는 0.6㎜이고, 펠릿의 중심에 있는 공동(cavity)은 0.7㎜의 직경(20)을 가진다. 금속 호일(13)은 펠릿 위에 놓여 있고, 이 호일은 바람직하게는 15%와 35% 사이의 다공성을 가지고 20㎛ 내지 50㎛의 두께를 가지면서 주입되거나 주입되지 않을 수 있으며, 호일은 예를 들어 오스뮴/루테늄과 같은 합금층 또는 전자들의 일함수(work function)를 떨어뜨리는 이리듐으로 코팅되는 것이 바람직하다. 펠릿은 예를 들어 레이저 용접에 의해 원통형 슬리브에 고정되는 접시(12)에 삽입된다.

호일(13)과 펠릿은 이들의 주변 표면을 연결하고 영역(10)을 둘러싸는 몰리브덴과 루테늄과 같은 높은 용융점을 가진 금속을 주원료로 한 납땜된 연결부(21)에 의해 서로 고정된다. 몰리브덴/루테늄을 주원료로 한 혼합물은 용매와 혼합된 분말로 제조되어 수㎛ 두께의 층으로 도포되고, 최종적으로 호일과 이전에 주입된 펠릿을 서로 압착하면서 레이저를 사용하여 용융될 수 있다.

이와 같은 방식으로, 공핍 전면은 처음에 반구형 표면(18)에 형성되고, 납땜 연결부(21)는 펠릿으로부터 오는 방출성 물질에 비침투성인 장벽(barrier)을 형성한다. 그 다음, 공핍 전면은 반구형 표면에 평행한 채로 움직이고 그것의 표면은 전면이 다음 유형 법칙(law of the type)에 따라 펠릿 내부로 점진적으로 강제됨에 따라 증가하게 될 것이다. 즉,

d(t) = A.t^1/2

여기서, d는 그것의 초기 위치로부터의 전면의 거리이고, A는 펠릿의 다공성과 동작 온도에 따르는 계수이며, t는 시간이다.

그 다음, 전면의 표면적이 다음 유형의 법칙에 따라 증가하게 될 것이다.

S(t) = K(R + d(t))²= K(R + A.t^1/2)²

여기서, R은 표면(18)의 초기 반경이고, K는 표면(18)으로 표시된 구 부분으로 한정된 상수이다.

그러므로, 펠릿 사용 시간에 대한 방출성 물질의 흐름 의존성이 수정된다. 즉, 음극이 사용되는 시간에 따른 공핍 전면의 표면적의 증가는 주입된 펠릿의 더욱 큰 영역을 사용하게 하고, 이는 방출성 물질의 점점 많은 양을 수반하고, 이러한 효과는 전술한 방출성 물질 흐름이 감소하는 자연적인 효과들을 상쇄하여, 본 발명의 구조에서 유용한 방출성 물질의 흐름이 도 1의 것과 같은 구조에서보다 좀더 느리게 감소한다. 또한 이러한 장점은 시간이 흐름에 따라 증가한다는 것을 알게 될 것이다.

아래의 표는 도 1에 도시된 종래 기술의 경우와 본 발명의 경우의, 공핍 전면, 바륨 흐름, 및 음극 방사에서의 변동을 도시한다.

	공핍(㎛)	바륨 흐름(상대적 %)	방사(㎂)
누적 동작 시간(주)	표준 음극	본 발명	표준 음극	본 발명	표준 음극	본 발명
0	0	0	100	87	6300	6300
5	24	24	45	44	6300	6300
10	33	33	32	33	6300	6300
15	41	41	26	28	6300	6300
20	47	47	22	25	6300	6300
30	58	58	18	22	6100	6300
40	67	67	16	20	5900	6300
50	75	75	14	18	5700	6300
60	82	82	13	17	5500	6300
70	88	88	12	16	5300	6300
80	94	94	11	16	5100	6300
90	100	100	11	15	4900	6300
100	105	105	10	15	4700	6100
110	111	111	10	14	4500	5900
120	115	115	9	14	4300	5700
130	120	120	9	14	4100	5500
140	125	125	8	14	4000	5300
150	129	129	8	13	3900	5100

음극 방사의 하한을 5100㎂로 설정함으로써 음극의 수명은 종래 기술에 따른 음극의 경우 80주에서 본 발명에 따른 음극의 경우 150주까지 가는 것을 알 수 있다.

초기의 반구형 표면(18)을 만들기 위해서는, 균일하게 주입된 펠릿을 가지고 시작하는 것이 가능하다. 즉, 펠릿의 상부 표면 부분 예를 들어 상기 표면의 주변 영역을 마스킹한 후, 주입제의 공간적으로 제어된 용해가 행해져서 주입제가 거의없거나 전혀 없는 반구형 영역을 생성하게 된다.

또한 어떠한 물질도 없는 반구형 영역(10)이 기계적으로, 예를 들면 압착에 의해 그 위에 생성된 다음 균일하게 주입되는 펠릿으로부터 이러한 분리 표면(18)을 만드는 것도 가능하다. 본 실시예에서, 방출성 물질은 증기 형태로 공동(10)을 가로지르고 이전 실시예에서와 같이 세공들의 표면을 커버할 필요는 없다. 이 경우, 이러한 종류의 음극을 구비한 음극선관이 진공 상태에 놓여질 때 특히 펠릿을 커버하는 호일(13)이 다공성이며 방출성 물질로 주입될 때 문제점이 생길 수 있으며, 그에 따라 영역(10)에 포함된 공기와 음극선관 내에 지배적인 점진적인 진공 사이에 압력 강하가 생기며, 이러한 압력 강하는 호일(13)의 손상을 가져올 수 있다. 도 3은 이러한 문제점에 대한 해결책을 제공하는 본 발명의 일 실시예를 도시하고, 여기서 공동(10)은 주입된 펠릿(11)으로 만들어지고 공동을 음극의 외부에 연결시키는 적어도 1개의 채널(30)에 의해 외부 압력으로 설정된다.

모든 경우에서, 음극 수명을 연장하는 분명한 효과를 얻기 위해서는, 초기 분리 표면(18)의 표면적이 음극의 방출성 표면보다 적어도 20%만큼 큰 것이 바람직하다.

전술한 실시예들은 한정적이지 않고, 주입된 펠릿의 표면 위에 여러 개의 오목한 공동을 제공하거나 반구형 공동을 반 토러스(torus) 형태의 표면으로 대체하는 것이 유리하게 가능하다.

본 발명은 주입 음극을 사용하는 음극선관에서 그 주입 음극의 수명을 개선시키는데 사용될 수 있다.

Claims (9)

1. 주입 음극으로서, 상기 주입 음극의 방출성 부분은 알칼리토금속 화합물이 주입된 다공성 펠릿(11)을 포함하고, 상기 펠릿은 내열성 물질로 만들어진 접시(12)에 놓여 있으며 상기 음극의 방출성 표면을 형성하는 다공성 금속 호일(13)로 덮여진, 주입 음극에 있어서,

   상기 펠릿은 많이 주입된 영역과 주입되지 않았거나 약하게 주입된 영역(10) 사이에 분리 표면(18)을 가지고, 상기 분리 표면은 상기 방출성 표면을 향하여 적어도 1개의 속인 빈 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주입 음극.
2. 제 1항에 있어서, 상기 속이 빈 부분과 상기 방출성 표면 사이에 위치한 상기 공간(10)에는 적어도 부분적으로는 어떠한 물질도 없는 것을 특징으로 하는, 주입 음극.
3. 제 2항에 있어서, 상기 속인 빈 부분과 상기 방출성 표면 사이에 위치한 상기 빈 공간(10)은 적어도 1개의 채널(30)에 의해 외부 공간과 연결되는 것을 특징으로 하는, 주입 음극.
4. 제 1항에 있어서, 상기 분리 표면의 속이 빈 부분은 상기 펠릿의 주입제의 선택적인 용해로 얻어지는 것을 특징으로 하는, 주입 음극.
5. 제 1항에 있어서, 상기 속인 빈 부분은 구 표면의 일부인 것을 특징으로 하는, 주입 음극.
6. 제 1항에 있어서, 속이 빈 부분들의 표면적은 방출성 표면보다 적어도 20%만큼 큰 것을 특징으로 하는, 주입 음극.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펠릿의 표면은 속이 빈 부분 주위에, 방출성 물질의 확산에 대비해 밀봉된 금속 장벽(21)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주입 음극.
8. 제 7항에 있어서, 상기 금속 장벽(21)은 높은 용융점을 가지는 금속 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 주입 음극.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 음극선관.