KR100268721B1 - 전자관용 음극 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

전자관용 음극 및 이의 제조방법이 개시된다. 금속기체, 전자방출물질층 및 히터를 포함하는 전자관용 음극에 있어서, 상기 전자방출물질층이, 금속기체의 상부에 환원성 고융점 금속과 바륨 화합물을 주요 구성성분으로 하는 전자방출물질로 되는 펠렛층과, 상기 펠렛층 상부에 형성되는 바륨을 주요 구성성분으로 하는 전자방출물질로 되는 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자관용 음극으로서, 낮은 온도에서 동작하며 수명이 길고 장시간 동안 높은 전자방출 특성이 유지되는 우수한 음극 및 이의 제조방법이다.

Description

전자관용 음극 및 이의 제조방법

제1도는 종래의 산화물 음극의 개략적인 단면 모식도이고,

제2도는 종래의 함침형 음극의 개략적인 단면 모식도이고,

제3도는 종래의 소결형 음극의 개략적인 단면 모식도이고,

제4도는 본 발명의 일실시예에 따른 음극의 개략적인 단면 모식도이고,

제5도는 본 발명의 일실시예에 따른 음극의 수명특성을 종래의 산화물, 함침형 및 소결형 음극의 수명특성과 비교하여 나타낸 그래프이고,

제6도는 본 발명의 일실시예에 따른 음극의 온도에 따른 전류밀도 특성을 나타내는 종래의 산화물, 함침형 및 소결형 음극과 비교하여 나타낸 그래프이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 슬리이브 2 : 컵

3 : 전자방출물질층 7 : 펠렛

본 발명은 전자관의 전자방출원인 음극 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 새로운 구조를 가지며 고전류밀도 및 장수명의 특성을 갖는 전자관용 음극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

종래 수상관 등에 이용되고 있는 전자관용 열전자 방출 음극으로서 니켈(Ni)을 주성분으로 하고 실리콘(Si), 마그네슘(Mg) 등을 환원제로서 미량 함유시킨 금속기체 (또는 컵) 위에 바륨(Ba)을 주성분으로 하는 알칼리토류 금속의 산화물층을 형성시킨 소위 산화물 음극이 널리 사용되고 있다. 이 산화물 음극은 환원제와 산화물을 반응시켜 산화물로부터 유리 원자가 생성되면, 이 유리 원자가 전자 방출에 기여한다는 원리를 이용한 것이다. 제1도는 상기 종래의 산화물 음극의 단면 모식도인데, 원판상의 컵(2)과, 원관상의 슬리이브(1), 슬리이브(1)의 내부에 설비된 음극 가열용 히이터(4) 및 상기 컵(2)의 상부에 형성된 전자방출물질층(1)을 주요 구성 요소로 하고 있는 구조를 갖고 있다.

상기 전자방출물질층은 다음과 같은 공정에 따라 형성된다. 즉, 유기 용매에 니트로셀룰로오즈 등을 용해시키고, 여기에 탄산바륨을 주성분으로 하는 알칼리토류 금속의 탄산염 분말을 혼합한 뒤 스프레이법 또는 전착법 등의 방법으로 상기 컵의 상부에 피착 형성된다. 이렇게 제조된 음극은 전자총에 장착되어 전자관 내로 조립되는데 전자관 내를 진공으로 하기 위한 배기 공정에서, 음극은 히이터에 의해 약 1000℃로 가열, 승온되고 이 때 탄산바륨은 다음식에 나타난 바와 같이 열분해되어 산화바륨으로 변환 된다.

BaCO₃→ BaO + CO₂↑ (1)

생성된 산화바륨은 음극 동작중 기체 금속과 접하게 되는 경계면에서 기체 금속중의 환원제인 Si 및 Mg 등과 다음과 같은 환원반응을 일으킨다.

BaO + Mg → MgO + Ba↑ (2)

4BaO + Si → Ba₂SiO₄+ 2Ba↑ (3)

이와 같이 생성된 유리 바륨이 전자방출에 기여하는데, 이 때 유리 바륨의 생성과 동시에 상기식 (2) 및 (3)에 표시된 바와 같이, MgO, Ba₂SiO₄등도 전자방출물질층과 기체금속과의 경계면에 형성 된다. 이 반응 생성물은 경계 부근에 축적되어 '중간층' 이라 불리우는 장벽을 형성하여 Si이나 Mg의 확산을 방해하기 때문에 전자방출에 기여하는 유리 바륨의 생성을 곤란하게 만든다. 따라서 이 중간층은 산화물 음극의 수명을 단축하는 결과를 초래한다. 또한 이 중간층은 고저항을 갖고 전자방출의 흐름을 방해하기 때문에 방출 가능한 전류 밀도를 제한한다는 문제점을 갖고 있다. 또한 최근, 대형화, 고정세화 추세에 따라 전자관의 성능이 향상되고 있으며 이에 따르는 전자관 음극의 고성능화가 요구되는 실정이다. 음극에 요구되는 특성으로는 특히 내이온 충격성, 내가스성을 가질것, 전자방출밀도가 높을 것 등이다.

상기한 요구에 부응하는 음극이 함침형 음극이라고 할 수 있다. 이는 제2도에 나타난 구조를 갖는데, 전자방출물질을 수소로나 진공로에서 녹여 다공질 기체에 함침시킨 전자방출물질층(5)을 구비한다. 함침형 음극은 높은 수명과 높은 전자방출 특성을 갖지만 동작온도가 1100℃ 이상으로 높고 제조공정이 까다로우며 고가라는 단점이 있다.

상기한 고온 동작과 제조공정상의 문제를 해결하기 위하여 개발된 것이 소결형 음극으로서, 이는 탄산염, 바륨 세라믹 등의 전자방출물질과 니켈, 텅스텐, 몰리브덴 등의 환원성 물질의 분말을 혼합 성형하여 음극 형상으로 제조한 후, 진공로나 수소분위기 하에서 소결하여 제조한다. 제3도에 소결형 음극의 구조가 도시되어 있는데, 6이 상기와 같은 방법에 따라 제조된 소결체로서 제조공정이 매우 간단하다는 잇점은 있으나 동작 온도는 여전히 높다. 또한 동작 온도가 높아서 초기의 전자방출량이 많기 때문에 바륨의 과잉 증발을 제어하지 못하여 수명이 짧다는 문제점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은 상기한 여러가지 종래의 음극이 갖고 있는 문제점, 특히 수명저하의 문제를 해결하여 초장수명을 가질 뿐아니라, 장시간에 걸쳐 안정한 전자방출 특성을 가지며 저가의 전자관용 음극을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 장수명의 전자관용 음극의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 금속기체, 전자방출물질층 및 히터를 포함하는 전자관용 음극에 있어서, 상기 전자방출물질층이, 금속기체의 상부에 환원성 고융점 금속과 바륨 화합물을 주요 구성성분으로 하는 전자방출물질로 되는 펠렛층과, 상기 펠렛층 상부에 형성되는 바륨을 주요 구성성분으로 하는 전자방출물질로 되는 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자관용 음극을 제공한다.

상기한 본 발명의 다른 목적은 기체의 상부에 환원성 고융점 금속과 바륨 화합물을 주요 구성성분으로 하는 펠렛을 장착하는 단계와 상기 펠렛의 상부에 전자방출물질층을 형성시키는 단계를 포함하는 전자관용음극의 제조방법에 의해 달성된다.

특히, 상기 펠렛층은 소결체로서, 두께가 0.1 내지 0.25mm이고, 직경이 1.3 내지 2.0mm인 것이 바람직하다.

또한 상기 환원성 고융점 금속은 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 이리듐으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속인 것이 바람직하고, 상기 바륨 화합물은 바륨, 칼슘, 알루미늄의 염으로 이루어진 화합물인 것이 바람직하다. 상기 환원성 금속과 바륨 화합물의 혼합비는 중량비로 7:3 내지 8:2인 것이 또한 바람직하다.

즉, 본 발명의 음극은 낮은 동작 온도와 수명 증가의 효과를 얻기 위하여 산화물 음극과 소결형 음극을 조합한 구조로서, 산화물 음극과 소결형 음극이 갖고 있는 장점만을 취한 것이라고 할 수 있겠다. 제3도에는 본 발명의 일실시예에 따른 음극의 구조를 나타내었는데, 슬리이브(1)의 상부에 컵(2)이 배치되어 있고, 컵(2)의 상부에는 펠렛(7)과 전자방출물질층(3)이 차례로 설치되어 있는 구조를 갖는다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 구체적으로 설명하기로 하는데, 본 발명이 이로서 한정되지는 않는다.

먼저 소결체의 펠렛을 제조하기 위하여 환원성 고융점 금속인 텅스텐, 몰리브덴, 이리듐 및/또는 니켈 분말을 전자방출물질인 바륨 세라믹(BaCO₃:CaCO₃:Al₂O₃를 일정비율로 혼합 소성한 것)과 소정 비율로 혼합하여 금형에 주입한 후 프레스로 성형한다. 상기 환원성 고융점 금속과 바륨 화합물의 혼합비율은 7:3 내지 8:2로 하며, 성형체의 두께는 0.1 내지 0.25mm로 하고, 직경은 1.3 내지 2.0mm로 한다. 성형 압력은 2 내지 10톤/cm²이며, 성형후 진공분위기 또는 환원성 분위기하에서 1000 내지 1400℃의 온도로 30 내지 60분 동안 열처리한다. 완성된 펠렛을 컵에 넣은후 슬리이브에 용접하여 고착시킨다. 다음에는 탄산바륨을 주성분으로 하는 전자방출물질을 락카, 용제 등과 함께 혼합하여 현탁액을 만들고 이를 스프레이법 또는 전착법 등을 사용하여, 펠렛의 상부에 0.06 내지 0.08mm의 두께로 피착하여 전자방출물질층을 형성시킨다. 전자방출물질층이 형성되면 슬리이브의 내부에 히이터를 삽입하여 전자관용 음극을 조립하게 된다.

상기와 같이 제조된 본 발명의 음극은 다음과 같은 작용 원리에 따라 작동하게 된다.

초기에는 산화물 음극 동작온도 정도로 낮은 온도(약 750℃)에서 바륨이 방출 되므로 동작 온도가 높지 않아도 음극이 작동하게 되며, 낮은 동작 온도는 결국 장수명의 효과를 제공해 주게 된다. 이후 음극이 계속적으로 가열되면 전자방출물질층의 하부에 있는 펠렛으로부터 바륨이 서서히 공급되어 지속적으로 높은 밀도의 전자방출이 가능하게 된다. 온도를 약 800 내지 900℃ 정도로 상승시키게 되면 하부 펠렛으로부터의 전자방출량이 많아지게 되어 높은 전류밀도를 얻을 수 있게 되므로, 전류밀도의 세기는 필요에 따라 동작 온도를 선택하는 것에 의해 조절할 수 있다. 즉, 본 발명의 음극은 음극의 가열 초기에는 최상단에 있는 전자방출물질층에서 바륨이 공급되며, 이후에는 하부 펠렛으로부터 서서히 바륨이 공급되기 때문에, 장수명이면서도 지속적인 전자방출이 가능하게 되는 것이다.

제5도에는 본 발명의 상기 실시예에 따른 음극(d)의 수명특성을 종래의 산화물(a), 함침형(b) 및 소결형(c) 음극의 수명특성과 비교하여 그래프로 나타내었는데, 본 발명의 음극이 종래의 산화물 음극이나 소결형 음극보다 우수한 전자방출 특성을 가짐은 물론이고, 함침형 음극에 버금가는 높은 전류밀도 특성을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.

제6도는 본 발명의 상기 실시예에 따른 음극(d)의 온도에 따른 전류밀도 특성을 종래의 산화물(a), 함침형(b) 및 소결형(c) 음극과 비교하여 나타낸 그래프이다. 그래프로부터 본 발명의 음극이 산화물 음극에서와 같이 낮은 온도에서 동작하면서도 소결형 음극에서와 같이 높은 전류밀도 효과를 제공해 준다는 것을 또한 확인할 수 있다.

Claims (10)

1. 금속기체, 전자방출물질층 및 히터를 포함하는 전자관용 음극에 있어서, 상기 전자방출물질층이, 금속기체의 상부에 환원성 고융점 금속과 바륨 화합물을 주요 구성성분으로 하는 전자방출물질로 되는 펠렛층과, 상기 펠렛층 상부에 형성되는 바륨을 주요 구성성분으로 하는 전자방출물질로 되는 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자관용 음극.
2. 제1항에 있어서, 상기 펠렛이 소결체인 것을 특징으로 하는 전자관용 음극.
3. 제1항에 있어서, 상기 환원성 고융점 금속이 텅스텐, 몰리브덴, 니켈 및 이리듐으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전자관용 음극.
4. 제1항에 있어서, 상기 바륨 화합물이 바륨, 칼슘, 알루미늄의 염으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자관용 음극.
5. 제1항에 있어서, 상기 환원성 금속과 바륨 화합물의 혼합비가 중량비로 7:3 내지 8:2인 것을 특징으로 하는 전자관용 음극.
6. 제2항에 있어서, 상기 소결체의 두께가 0.1 내지 0.25mm이고, 직경이 1.3 내지 2.0mm인 것을 특징으로 하는 전자관용 음극.
7. 기체의 상부에 환원성 고융점 금속과 바륨 화합물을 주성분으로 하는 펠렛을 장착하는 단계와, 상기 펠렛의 상부에 전자방출물질층을 형성시키는 단계를 포함하는 전자관용 음극의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 전자방출물질층이 탄산염 화합물을 상기 펠렛의 상부에 스프레이 또는 전착하여 형성된 것임을 특징으로 하는 전자관용 음극의 제조방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 펠렛이 소결체인 것을 특징으로 하는 전자관용 음극의 제조방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 소결체가 원료 혼합물을 성형하고, 진공 또는 환원성 분위기하에서 1000 내지 1400℃의 온도 범위에서 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 전자관용 음극의 제조방법.