KR890004116B1 - 함침형 음극 - Google Patents

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Description

함침형 음극
제1도는 본 발명에 의한 함칭형 음극의 일실시예를 모식적으로 도시한 단면도.
제2도는 본 발명에 의한 음극과 종래의 함침형 음극의 전자방출 특성을 비교한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 펠릿 2 : 기체(基體)
3 : 빈구멍 4 : 캡
5 : 슬리이브 6 : 심지선
7 : 히이터 8 : 박막
본 발명은 함칭형 음극에 관한 것이다.
함침형 음극은 높은 전자방출능을 장시간 유지하는 음극으로서 유망시되고 있다. 그러나 높은 전자방출능을 지닌 반면, 동작온도가 약 1050~1200℃로 높으고, 전자방출물질인 바륨(Ba)이 증발하거나, 가열히이터가 장시간의 사용에 견디지 못하는등의 문제를 가지고 있었다.
이 문제해결을 위하여 전자방출면에 오스뮴(Os) 등 귀금속을 피복하는 일이 제안되고, 이에 의하여 동작온도를 약 150℃정도 낮출수 있게 되었다. 그러나 피복금속막과 기체재료의 상호확산 문제나, 특히 오스뮴피복의 경우에는 산화때문에 그 효과는 불안정했다.
오스뮴피복등 금속피복에 대신하는 것으로서 So2O3또는 Sc를 함유하는 산화물(예를 들면 (Al, Sc)2O3)과 텅스텐등 내열성 금속으로 이루어진 소결체의 기체에 전자방전물질을 함침시킨 함침형 음극(Sc2O2혼합매트릭스기체합침형 음극)이 제안되고 있다. (일본 특개소 58-154131). 이 음극은 오스뮴피복의 음극보다도 더욱 저온동작이 가능하다. 이 음극은 전자방출면에, 낮은일 함수(low work fanction)의 Ba, Sc 및 O로 이루어지는 단원자층(單原子層)이 형성되어 있는 것이 특징이나, 이 층이 어떠한 이유로 일단 소실되면 이층의 재생이 장시간의 고온열처리등을 필요로하고 또한 이렇게한 경우에도 재생되지 않는 경우도 있어 그 수명의 점에서 문제가 있었다.
본 발명의 목적을 저온동작의 특징을 유지하면서 동시에, 낮은 일함수 단원자층의 보급 및 재생이 용이한 함침형 음극을 제공하는데 있다. 그리고 또 다른 목적은 전자방출재료를 함침시킨 내열성 다공질기체 및 이 다공질기체의 전자방출면에 고융점 금속과, Sc 또는 Sc의 산화물 또는 그 양자로 이루어진 박층을 가진 것을 특징으로 하는 함침형 음극에 의해서 달성된다.
상기 일본극 특개소 58-154131에 기재되어 있는 음극의 전자방출면에 존재하는 단원자층의 원소구성을 표면분석기를 사용해서 측정하면, Sc2O3(혹은 ScOx)에 Ba가 부착된 구성으로 되어있는 것이 판명되었다. 이 결과에 의거하면, 음극구성으로서는, Ba를 보급하는 부분과, Sc2O3을 보급하는 부분이 별개이고, 동시에 Ba의 통로가 접속되어 있는 것이 바람직하다.
함침형 음극은 주로 텅스텐으로 된 다공성내열기체의 빈구멍부에 전자방출물질인 바륨알루미네이트등을 함침시켜서 제조한다. 함침을 발륨알루미네이트를 용융시키기 위해서 통상적으로는 1700~1900℃정도의 고온으로 시행한다. 그때, 기체의 텅스텐속에 Sc2O3이 함유되어 있으면 대부분의 전자방출물질이 고온으로 반응하여, 바륨 ·스칸데이트(Ba3Sc4O9)등으로 변화하는 것으로 생각된다. 따라서 미반응의 Sc2O3(또는 ScOx)과 Ba에 의해서 전자방출면에 형성되어 있는 Ba,Sc 및 O로 이루어지는 단원자층이 음극이 사용되고 있는 수상관이나 촬상관내의 방전등에 의한 이온충격으로 소실되어버리면, 재생에는 고온에 의한 장시간의 처리가 필요하게 된다.
왜냐하면, 일단 형성된 Ba3Sc4O9는 결합에너지가 높으고, 또 증기압이 낮기때문에, 이 분해반응 및 분해물질의 음극표면에의 이동은 활성화에너지의 높은 프로세스이기 때문이다. 고로, 본 발명의 음극은 전자방출재료를 함침시킨 내열성다공질기체를 미리 제조하여, 그 전자방출면에 고융점 금속과 Sc 및/또는 Sc의 산화물로 이루어진 박층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
내열성다공질기체로서는, 종래의 함침형 음극에 사용되고 있는 것을 그대로 사용할 수 있다. 즉, 재질로서는, W, Mo, Ir, Pt, Re등의 단체 또는 합금이 사용되며, 그 빈구멍율은 12~50%보다 바람직하게는 15~35%, 더욱 바람직하게는 20~25%이다. 또 다공질기체에 Zr, Hf, Ti, Cr, Mn, Al, Si등의 원소의 1가지 또는 2가지 이상을 첨가해서 활성제로 하는 것도 알려지고 있으며, 본 발명에 있어서도 이와같은 활성제로 첨가한 기체를 사용할 수 있다.
박층은, 그 두께가 10mm~1μm라야 하는 것이 바람직하다. 박층에 사용하는 고융점 금속에는, W, Mo, IR, Os, Re 및 Pt로 이루어진 그루우프로부터 선택된 적어도 1가지의 금속이 사용된다. Sc 및/또는 Sc2O3의 양은, 대략 1~20중량%인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 5~15중량%이다.
Sc 또는 Sc2O3의 양이 적으면 동작은 동작온도가 저온이 되지않고, 또 Sc2O3이 전기절연체이기 때문에 그 양이 너무 많은 것도 바람직하지 않다. 이 박층의 빈구멍률은 20%이하라야 하는 것이 바람직하며, 10%이하인 것이 보다 바람직하다. 박층은, 어떠한 방법으로도 형성할 수 있으나, 통상적으로는 진공스파타법에 의한 부착, 원료분말의 소부(燒付), 소결체로서의 피착(被着)등의 방법이 사용된다.
이하, 본 발명의 일실시예를 제1도에 의해 설명한다. 제1도는 본 발명에 의한 함침형 음극을 모식도적으로 표시한 단면도이다. 도면에 있어서(1)은 음극재료인 펠릿(1.4ø)이며, 빈구명률 20-25%의 다공질의 W기체(2)과 빈구멍(3)으로 형성되어 있다. 또한 다공질기체로서, Mo, IR, Pt, Re등 및 이들 함금을 사용해도 좋다. 빈구멍(3) 속에는 전자방출재료로서 BaCo3, CaCo3, Al2O3을 몰비로 4 : 1 : 1의 비율로 배합한 것을 함침시켰다. 또한 다른 몰비의 재료나, 다른 재료를 첨가한 전자방출재료를 사용해도 좋다. 이 펠릿(1)을 Ta캡(4)에 장착하고 그후 Ta캡(4)은 Ta슬리이브(5)에 레이저 용접된다. 레이저 용접 대신에 땜납재료를 사용해도 좋다.
음극의 가열에는 W심지선(6)을 알미나피복한 히이터(7)를 사용해서 시행한다. 이상이 Ba보급원이 된다. Ba의 보급량을 가열온도에 의존하나, 전자방출재료의 몰비를 바꾸거나, 또 기체재료속에 Zr, Hf, Ti, Cr, Mn, Si, Al등의 활성제를 함유시키는 것으로도 조정할 수 있다. Sc2O3보급원으로서 두께 10mm~1μm의 W와 Sc2O3로 이루어진 박막(8)을 진공고주파스타파법에 의해서 부착시켰다. 또한 W 대신에 Mo, Re, Pt, Ir, Ta등의 금속 혹은 이들 합금을 사용해도 좋다.
이와같은 음극을 사용하여, 음극·양극 2극관방식으로 양극에 폭 5μS, 반복 100HZ의 고압펄스를 인가해서 포화전류밀도를 측정했다. 그결과를 제2도에 표시한다.
도면중(9)가 본 발명에 의한 W와 Sc2O3로 이루어진 박막의 피복을 시행한 음극의 특성이다. 종래의 Sc2O3혼합 매트릭스 기체합침형 음극의 특성은 본 발명의 특성(9)에 일치하지만, Ar분위기 압력 약 5 ×10-5Torr중, 25mA의 방출전류를 사용해서 시행한 Ar이온스파타링 5분간의 실시에 의해 Ba, Sc 및 O로 이루어진 단원자층을 제거되고 음극의 특성은 (10)과 같이된다. 한편 본 발명의 음극에서는 Ar이온스파타링에 의한 전자방출특성 열화를 볼수 없었다.
본 발명에 의하면, 어떠한 이유에 의해, Ba, Sc 및 O로 이루어진 단원자층이 소실되어도, 동작중에 이들원소(element)가 보급되기 때문에, 방출특성의 저하가 전혀 인지될 수 없다고 하는 효과가 있다. 또, 만일 특성저하가 생겨도 1150℃ 15~30분 정도의 열처리에 의해 완전한 단원자층이 형성되어, 장수명이고도 저온동작의 특징이 유리하다.

Claims (4)

  1. 전자방출재료를 함침시킨 내열성다공질기체 및 다공질기체의 전자방출면에 고융점금속과, Sc 또는 Sc의 산화물 또는 그 양자로 이루어진 박층을 가진 것을 특징으로 하는 함침형 음극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 박층의 두께가 10mm~1μm인 함침형 음극.
  3. 제1항에 있어서, 상기 박층속의 Sc 또는 Sc의 산화물의 양이 1~20중량%인 함침형 음극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고융점금속이 W, Mo, Ir, Os, Re 및 Pt로 이루어지는 그루우프로부터 선택된 적어도 1가지의 금속인 함침형 음극.
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