KR0142704B1

KR0142704B1 - 함침형 디스펜서 음극

Info

Publication number: KR0142704B1
Application number: KR1019950001059A
Authority: KR
Inventors: 이종환
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 1998-07-15
Anticipated expiration: 2015-01-23
Also published as: KR960030289A

Abstract

본 발명은 함침형 디스펜서 음극이 낮은 온도에서 고전류 밀도를 가지므로 고온동작으로 인한 인근부품의 열변형을 방지하고, 초기 바륨(Ba)의 과다방지, 이온충격 내성을 갖는데 적합한 음극에 관한 것으로, 전자방사물질이 함침된 금속기체와, 상기 금속기체의 표면에 피복되는 피복층으로 이루어진 것에 있어서, 금속기체는 텅스텐을 주재료로 하여 여기에 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)중 선택된 1종과, 산화스칸듐(Sc₂O₃)과, 규소((Si) 또는 마그네슘(Mg)을 포함하는 복합다공질소결체로 하고 상기 소결체에 함침되는 복합전자방사물질은 BaO, CaO, Al₂O₃으로 하며, 상기 피복층은(Ba, Ca, Sr) CO₃탄산염으로 함을 특징으로 하는 함침형 디스펜서 음극에 관한 기술임.

Description

함침형 디스펜서 음극

제1도는 함침형 음극 구조도

제2도는 본 발명의 디스펜서 음극에서 펠렛 부분만 나타낸 구조도로서,

(a)는 제1실시예 단면도

(b)는 제2실시예 단면도

(c)는 제3실시예 단면도

제3도는 본 말명에 따른 TK대 전류밀도 관계를 나타낸 그래프

제4도는 본 발명에 따른 cut-off 전압변화율을 나타낸 그래프

제5도는 본 발명에 따른 이온충격 내성을 나타낸 그래프

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1.12:음극기체 2:음극컵

3:슬리브 4:음극홀더

5:히터 6.8:피복층

7.10:소결체 9:금속기체

11:함침물질

본 발명은 함침형 디스펜서 음극에 관한 것으로, 특히 낮은 온도에서 고전류 밀도를 가지므로 고온동작으로 인한 인근부품의 열변형을 방지하고, 초기 바륨(Ba)의 과다증발방지, 이온충격 내성을 갖는데 적합한 음극에 관한 것이다.

함침형 음극은 고전류 밀도를 필요로 하는 오실로스코프, 촬영관, 우주송신관 등에 사용되고 있으며, 모니터, TV 등에 사용되는 브라운관의 대형화 및 고정세화 추세에 따라 고전류 밀도용 음극인 함침형 디스펜서 음극이 필요하게 되었다.

제1도는 일반적인 함침형 음극 구조를 나타낸 것으로, 텅스텐(W)과 같은 내열성 재질을 압축, 소결하여 다공성 펠렛(Pellet)상의 소결체를 만들고, 이 소결체에 전자파 방사물질인 복합세라믹스(BaO : CaO : Al₂O₃가 몰비로 4 : 1 : 1 또는 5 : 3 : 2 로 혼합)을 600℃ 온도의 진공 또는 수소분위기에서 응용해서 함침시켜 음극기체(1)를 만들고, 이 음극기체(1)를 탄탈륨(Ta) 또는 몰리브텐(Mo) 등으로 된 내열성 금속인 음극컵(2)의 내부에 삽입시키고 측면을 레이져(laser) 용접한다.

이와 같이 얻어진 음극컵(2)을 내열금속으로 된 원통형 음극슬리브(3)내에 넣어 부착 고정하며, 이 음극슬리브(3)는 내열금속으로 된 음극홀더(4)에 3개의 스트랩(strap)을 이용, 스트랩의 한쪽끝은 음극슬리브(3) 하단에, 그리고 스트랩의 다른 한쪽끝은 음극홀더(4)의 상단에 용접한다.

음극슬리브(3) 내부에는 음극가열용 히터(5)를 삽입하며, 음극기체(1) 상부에는 백금족 원소인 오스뮴(Os), 류테늄(Ru), 이리듐(Ir), 레늄(Re) 등의 희토류 금속으로 된 피복층(6)을 스퍼터링(Sputtering)법으로 형성한다.

이와 같은 구조에서 히터(5)에 전류가 인가되면 히터에서 발생한 열이 음극슬리브(3) 및 음극컵(2)에 이어서 음극기체(1)에 전도되므로 음극기체(1)의 다공성 펠렛 내부에 용융함침된 전자방사물질인 혼합산화물이 음극기체(1)의 주성분인 W과 반응하여 Ba/BaO을 생성하는데, 이 때 생성된 Ba/BaO는 음극기체 상부로 확산하여 음극기체 상부에서 단원자층을 형성하여 전자방사에 기여한다.

이와 같은 혼합산화물로 이루어진 음극기체 구조의 함침형 음극은 높은 전자방출 능력을 가진 반면 동작온도가 1050-1200℃로 높고 전자방출 물질인 Ba가 증발하거나, 가열히터가 장시간 사용에 견디지 못하는 등의 문제가 있었다.

따라서, 음극기체(1) 표면에 일함수가 높은 Os, Ru, Ir, Re 등의 백금족 원소 또는 레늄(Re) 등의 희토류 원소를 피복하며, 이 피복효과에 의해 음극기체 표면에 Ba의 농도가 높아져 일함수가 낮아지고 동작온도가 약 100-150℃ 정도 낮추어진다.

그러나 여전히 동작온도가 950-1100℃로 높으므로 전자총의 전극부품 및 음극지지체 등에 고열로 인해 열변형을 일으키는 등 특성에 나쁜 영향을 미친다.

또한 고온동작을 하기 위해서는 히터의 용량을 크게 해야 되는데, 이는 히터의 수명단축문제 또는 신뢰성을 보장할 수 없게 되는 등의 문제점이 있어왔다.

상기한 문제를 개선하기 위해 미국특허(4,823,044호)에서는 다공질 금속소결체인 W재료에 Ir, Re, Ru, Os를 포함하여 전자방사 특성을 개선시키는 등 1OA/㎠이상의 고전류 밀도를 갖는다고 알려져 있으나, 동작온도가 1,000-1100℃ 정도로 높기 때문에 실제로 음극선관에 적용하기 위해서는 저온동작화가 요구된다.

한편, 일본공개특허공보 소61-13526에서는 동작온도가 800-900℃ 정도로 낮추어진 스칸듐(Sc)계 함침형 음극이 알려지고 있으나, Ba 산화물과 Sc 산화물이 반응하게 될 경우 부산물로 Ba₃, Sc₄, O₉둥이 열전자방출 표면에 생성되어 열전자 방출상태가 불안정해지고 활성화 에이징 시간이 길어지는 단점이 발생한다.

최근의 디스펜서 음극의 기술동향을 볼 때, 디스펜서 음극이 음극선관에 적용되기 위해서는 3가지 문제점을 해결하여야만 가능하다.

첫째로 고온동작으로 인한 음극선관의 다른 부품의 열변형과 내구력 저하이며,

둘째로 초기 Ba 과다 증발에 의한 타부품의 증착과 성능저하 및 수명단축이다.

셋ㅉ로 음극선관 내의 잔류기체 분자의 흡수 흡착 반응과 기체분자 이온의 충격에 의한 전자방사능력의 열화현상 등으로 밝혀지고 있다.

상기 문제점의 해결 없이는 디스펜서 음극의 CRT 적용이 불가능하며 현재 이 문제를 해결하기 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 디스펜서 음극의 고온동작의 문제점과 초기 Ba 과다증발 및 잔류가스에 의한 피독의 문제점을 해결하기 위하여, 저온동작에서 고전류 밀도가 가능하고 안정된 전자방출특성 및 낮은 Ba 증발비와 잔류가스에 의한 피독의 내성을 갖는 디스펜서 음극을 제공하는데 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 그 실시예를 나타낸 제2도에 따라 설명한다.

제2도에서 (a)는 본 발명의 기본 구성이고, (b) 및 (c)는 타실시예를 나타낸 것이다.

본 발명은 전자방사물질이 함침된 금속기체와, 상기 금속기체의 표면에 피복되는 피복층으로 이루어진 것에 있어서, (a)와 같이 금속기체(9)는 텅스텐(W)을 주재료로 하여 여기에 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 중 선택된 1종과, 산화스칸듐(Sc2O3)과, 규소(Si) 또는 마그네슘(Mg)을 포함하는 복합다공질 소결체(7)로 하고, 상기 소결체에 함침되는 복합전자 방사물질은 BaO, CaO, Al₂O₃으로 하며 상기 피복층(8)은 (Ba, Ca, Sr)CO₃탄산염으로 구성됨을 기본으로 하며, 다른 하나는 (b)와 같이, 음극기체(12)는 상기한 (a)의 복합다공질 소결체 조성중 Y, Ir, Os를 제외한 주원료인 W과 SC₂O₃과 Si 또는 Mg를 포함한 복합다공질 소결체(10)로 하고, 상기 소결체에 함침되는 함침물질(11)은 Y, Ir, Os 중 선택한 1종과 BaO, CaO, Al₂O₃복합전자 방사물로 하며, 피복층(8)은 (Ba, Ca, Sr)CO₃탄산염으로 구성되며, 또 다른 하나는 (c)와 같이, 종래와 같은 W을 기로하는 다공질소결체(13)에 복합전자 방사물질(14)(BaO, CaO, Al₂O₃)이 함침된 제1금속기체(15)로 하고, 그 상면에는 상기한 (a)의 기본구성인 금속기체(9)를 제2금속기체(16)로 하는 복수층으로 하고 제2금속기체 상면에는 (a)와 동일한 같은 피복층(8)이 형성된다.

상기한 각 성분에 따른 조성비에 있어서는 W을 주성분으로 하는 100중량부와, Y, Ir, Os 중 선택한 1종인 20-40 중량부와, SC₂O₃5-30 중량부와, Si 또는 Mg 5-20 중량부로 하여 조성된다.

전자방사물질인 BaO : CaO : Al₂O₃는 몰(Mol)비로서 4-5 : 1-3 : 1-2로 조성한다.

상기한 본 발명의 디스펜서 음극에서 Y, Ir, Os는 일함수를 낮추어 저온동작에 기여하며, 특히 Y는 Ba 증발량을 감소시키는 효과가 있다.

복합다공질 금속기체에 함유되어 있는(Si, Mg)와 Sc₂O₃는 아래의 화학반응식에 의하여 Ba의 생성을 도와준다.

위의 화학반응으로 산화물 음극동작 온도인 700-800℃에서 기존 함침형 음극의 Ba 생성 결핍을(Si, Mg)와 Sc₂O₃를 첨가함으로써 보충해주기 때문에 함침형 음극의 단점인 고온동작(1000℃)을 저온동작(700-800℃)에서 가능하도록 해준다.

또한 풍부한 Ba 생성과 (Ba, Ca, Sr)CO₃코팅층으로 시간경과에 따른 Ba 증발비를 균일하게 하여 Cut-off 전압 변화율을 일정하게 해주며, (Ba, Ca, Sr)CO₃코팅층은 이온충격에 강한 장점을 가지고 있기 때문에 함침형의 약한 이온충격을 보완한다.

여기서 중간층의 생성물인 Ba₂SiO₄는 과다한 Ba 증발을 막아주며, 절연체인 중간층의 단점은 함침형의 W 펠렛의 우수한 전기 전도도로 보완해 줄 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 디스펜서 음극의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 3-6㎛의 입경을 갖는 100중량부의 순수한 텅스텐 분말, 20-40중량부인 Y, Zr, Os 중 1종의 금속분말, 5-30중량%인 Sc₂O₃와 5-20중량%의 Si 또는 Mg 분말을 잘 혼합하여 적절한 압력으로 압축성형후 진공 또는 수소분위기 하에서 소결하면 기공율이 10-30%인 복합다공질 소결체가 얻어진다.

이어서 상기한 복합다공질 소결체에 바륨, 칼슘, 알루미네이트로 구성된 전자방사물질을 1500-1800℃의 진공 혹은 수소분위기에서 용융함침시킨 후 (Ba, Ca, Sr)CO₃탄산염을 주성분으로 하는 회복층을 형성한다.

이 때 피복층은(Ba, Ca, Sr)CO₃공침염 분말을 오산부틸 + 니트로셀룰로오스 등의 유기용매중에 분산시켜 스프레이법에 의해 수㎛ 두께로 형성한다.

한편, 제2도 (b)의 제조방법에 있어서는 바륨, 칼슘, 알루미네이트 분말에 전체 혼합물의 10-50 중량%의 Yt, Zr, Os 중 1종을 혼합하여 1500-1800℃의 진공 혹은 수소분위기에서 용융 공침시킨다.

이와 같이 제조하여서 된 본 발명의 디스펜서 음극은 제3도와 같이 약750-800℃의 낮은 온도에서 약 7A/㎠ 이상의 높은 전류밀도를 가지므로 고온동작으로 인한 인근부품의 열변형 및 히터수명 단축을 개선할 수 있으며, 낮은 Ba 증발비로 제4도와 같이 Cut-off 전압변화 상승률을 10%이내로 낮출 수 있어 초기 Ba 과다증발에 의한 타부품의 증착과 성능저하 및 수명단축을 효과적으로 개선할 수 있다.

뿐만 아니라, 최근 함침형 음극의 문제점 중의 하나인 잔류가스에 의한 이온충격의 약점을 보완해 줄 수 있는 Ar 부분 압력이 10-6Torr인 경우 본 발명은 기본보다 적은 IK 감소율을 나타내고 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 복합다공질금속 기체조성을 달리하거나 복합다공질금속기체의 기공에 함침되는 함침제를 달리하고, 또한 이러한 금속기체를 기존의 금속기체층과 복수층으로 함으로써 저온동작에 따른 고전류밀도, 전압변화상승 및 관련부품의 수명단축을 기할 수 있는 함침형 디스펜서 음극을 얻게 된다.

Claims

전자방사물질이 함침된 금속기체와, 상기 금속기체의 표면에 피복되는 피복층으로 이루어진 것에 있어서, 금속기체는 텅스텐을 주재료로 하여 여기에 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 중 선택된 1종과, 산화스칸듐(Sc₂O₃)과, 규소(Si) 또는 마그네슘(Mg)을 포함하는 복합다공질 소결체로 하고 상기 소결체에 함침되는 복합전자방사물질은 BaO, CaO, Al₂O₃으로 하며, 상기 피복층은 (Ba, Ca, Sr)CO₃탄산염으로 함을 특징으로 하는 함침형 디스펜서 음극.
제1항에 있어서, 복합다공질 소결체는 텅스텐(W)이 100중량부이고, 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 중 선택된 1종이 20-40 중량부이며, 산화스칸듐(Sc₂O₃)이 5-30중량부이고, 규소(Si) 또는 마그네슘(Mg)이 5-20중량부로 조성됨을 특징으로 하는 함침형 디스펜서 음극.
전자방사물질이 함침된 금속기체와, 상기 금속기체의 표면에 피복되는 피복층으로 이루어진 것에 있어서, 금속기체는 텅스텐을 주재료로 하여 여기에 산화스칸듐(Sc₂O₃)과, 규소(Si) 또는 마그네슘(Mg)을 포함하는 복합다공질 소결체로 하고, 상기 소결체에 함침되는 함침물질은 복합전자 방사물질인 BaO, CaO, Al₂O₃와 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os)중 선택된 1종을 포함하며, 피복층은 (Ba, Ca, Sr)CO₃탄산염으로 함을 특징으로 하는 함침형 디스펜서 음극.
제3항에 있어서, 복합다공질 소결체는 텅스텐(W)이 100중량부이고, 산화스칸듐(Sc₂O₃)이 5-30중량부이며, 규소(Si) 또는 마그네슘(Mg)이 5-20중량부로 조성됨을 특징으로 하는 함침형 디스펜서 음극.
제3항 또는 제4항에 있어서, 복합다공질 소결체에 함침되는 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 중 선택된 1종이 20-40중량부이고, BaO, CaO, Al₂O₃의 배합몰비가 4-5 : 1-3 : 1-2임을 특징으로 하는 함침형 디스펜서 음극.
전자방사물질이 함침된 금속기체와, 상기 금속기체의 표면에 피복되는 피복층으로 이루어진 것에 있어서, 텅스텐(W)의 다공질금속기체에 BaO, CaO, Al₂O₃의 복합전자 방사물질이 함침된 제1금속기체와, 상기 제1금속기체에 적층되는 제2금속기체는 텅스텐을 주재료로 하여 여기에 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 중 선택된 1종과 산화스칸듐(Sc₂O₃)과 규소(Si) 또는 마그네슘(Mg)을 포함하는 복합다공질 소결체로 하고, 상기 소결체에 함침되는 복합전자 방사물질은 BaO, CaO, Al₂O₃으로 하며, 상기 피복층은 (Ba, Ca, Sr)CO₃탄산염으로 함을 특징으로 하는 함침형 디스펜서 음극.
제6항에 있어서, 제2금속기체에서 복합다공질 소결체는 텅스텐(W)이 100중량부이고 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 중 선택된 1종이 20-40중량부이며, 산화스칸듐(Sc₂O₃)이 5-30중량부이고, 규소(Si) 또는 마그네슘(Mg)이 5-20중량부로 됨을 특징으로 하는 함침형 디스펜서 음극.
전자방사물질이 함침된 금속기체와, 상기 금속기체의 표면에 피복되는 피복층으로 이루어진 것에 있어서, 텅스텐(W)의 다공질 소결체에 BaO, CaO, Al₂O₃의 복합전자 방사물질이 함침된 제1금속기체와, 상기 제1금속기체에 적층되는 제2금속기체는 텅스텐을 주재료로 하여 여기에 산화스칸듐(Sc₂O₃)과, 규소(Si) 또는 마그네슘(Mg)을 포함하는 복합다공질 소결체로 하고 상기 소결체에 함침되는 복합전자 방사물질인 BaO, CaO, Al₂O₃과 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 중 선택된 1종을 포함하며 피복층은 (Ba, Ca, Sr)CO₃탄산염으로 함을 특징으로 하는 함침형 디스펜서 음극.
제8항에 있어서, 제2금속기체에서 복합다공질 소결체는 텅스텐(W)이 100중량부이고 이트륨(Y), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 중 선택된 1종이 20-40중량부이며, 산화스칸듐(Sc2O3)이 5-30중량부이고, 규소(Si) 또는 마그네슘(Mg)은 5-20중량부로 됨을 특징으로 하는 함침형 디스펜서 음극.