KR100381212B1 - 전자관 캐소드 - Google Patents

Abstract

전자관 캐소드는 베이스 상에 바륨이 포함된 알카리 토류 금속산화물을 함유하는 전자방출물질층들이 형성되고, 전자방출물질층들 사이에 환원성 금속층이 개재하여 형성된다. 또한, 상기 금속층이 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 그리고 티타늄 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진다. 상기 금속층은 레늄, 이트륨 그리고 레늄과 이트륨의 혼합물 중 어느 하나를 상기 금속층의 3∼5 중량% 추가적으로 포함한다. 상기 금속층이 전자방출물질층들과 금속층을 포함한 전체 전자방출층의 8∼15 중량%으로 형성된다. 상기 금속층이 3∼5μm의 두께로 형성된다. 상기 금속층이 스프레이법에 의해 적어도 1층 이상으로 형성된다.

따라서, 본 발명은 유리 바륨의 양을 증대하여 전자방출특성과 수명특성을 향상시킨다. 또한, 금속층의 복사열이 증가하고 캐소드의 온도가 상승하므로 낮은 동작온도에서 동작가능하고 나아가 3A/cm²의 고전류밀도에서도 수명특성이 향상되고, 전력소비가 감소하고 열적 특성이 향상된다.

Description

전자관 캐소드{electron tube cathode}

본 발명은 전자관 캐소드(electron tube cathode)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자방출물질층들 사이에 1층 이상의 환원성 금속층을 형성함으로써 수명 특성 및 전자방출특성을 향상하도록 한 전자관 캐소드에 관한 것이다.

일반적으로, 전자관 캐소드는 TV용 브라운관이나 촬상관의 전자총에서의 전자원으로서 열전자를 방출하는 부분이다. 전자관 캐소드는 베이스 상에 전자방출물질로 구성된 전자방출물질층을 형성함으로써 제조된다. 일반적인 전자관 캐소드의 한 예가 일본국 특허공고 소화 64-5417호에 개시되어 있다. 즉, 본 발명의 도면 도 1에 도시된 바와 같이, 캐소드 슬리이브(1)의 내부에 히터(3)가 배치되고, 캐소드 슬리이브(1)의 상측 개구에 베이스(5)가 배치되고, 베이스(5) 상에 전자방출물질층(7)이 형성된다. 또한, 캐소드 슬리이브(1)는 니크롬 재질로 이루어지고, 베이스(5)는 실리콘(Si)이나 마그네슘(Mg) 등의 환원제를 0.01∼0.09 중량% 포함하며 고순도 니켈(Ni)을 주성분으로 한다. 전자방출물질층(7)은 적어도 바륨(Ba)을 포함하며 그 밖에 스트론튬(Sr) 또는 칼슘(Ca)을 포함하는 알카리 토류 금속산화물을 주성분으로 하고, 0.1∼20 중량%의 산화스칸듐 등의 희토류 금속산화물을 포함한다. 히터(3)는 전기적 가열에 의해 전자방출물질층(7)으로부터 열전자를 방출시킨다.

이러한 구조를 갖는 전자관 캐소드에 있어서, 전자방출물질층(7)의 형성 방법을 간단히 살펴보면, 먼저, 바륨탄산염(BaCO₃), 스트론튬탄산염(SrCO₃) 및 칼슘탄산염(CaCO₃)과 기결정된 량의 산화스칸듐(Sc₂O₃)을 바인더(binder) 및 용해제와 함께 혼합하여 서스펜션(suspension)을 만든다. 이 서스펜션을 베이스(1) 상에 약 800μm의 두께로 스프레이하고, 이후 전자관의 진공배기(evacuating) 공정 동안 히터에 의해 가열한다. 이때, 알카리 토류 금속의 탄산염이 산화바륨(BaO), 산화스트론튬(SrO) 및 산화칼슘(CaO)과 같은 알카리 토류 금속산화물로 변하게 된다. 이후,반도체적 성질을 갖도록 하기 위해 알카리 토류 금속산화물의 일부를 환원하고 활성화한다. 따라서, 알카리 토류 금속산화물과 희토류 금속산화물의 혼합물로 이루어지는 전자방출물질층(7)이 베이스(5) 상에 형성된다. 활성화공정에 있어서, 베이스(5) 중에 포함된 실리콘과 마그네슘과 같은 환원제가 확산에 의해 알카리 토류 금속산화물과 베이스(5) 사이의 계면으로 이동하고 알카리 토류 금속산화물과 반응한다. 이 반응의 결과, 베이스(5) 상에 형성된 알카리 토류 금속산화물의 일부가 환원하여 산소결핍형 반도체로 됨으로써 전자방출을 용이하게 한다.

이러한 전자관 캐소드의 경우, 스프레이법에 의한 탄산염층의 코팅 전에 스퍼터링법에 의하여 환원제층을 베이스에 형성하기도 하고, 수명연장을 위해 베이스상에 형성되는 부도체 중간층의 저항을 낮추는 역할을 하는, 탄산염과 환원제의 혼합층을 베이스의 표면에 형성하거나, 상기 혼합층 상에 탄산염층을 형성하기도 한다.

그러나, 베이스 상에 스퍼터링에 의해 환원제층을 형성하는 공정은 진공배기공정 및 활성화공정에서 환원제와 베이스 금속의 반응이 베이스 금속 전체에서 균일하게 생성되지 않으므로 전자가 균일하게 방출되지 못하는 문제가 있다. 또한, 환원제를 탄산염과 혼합한 혼합층을 베이스 상에 형성한 후 상기 혼합층 상에 탄산염층을 형성하는 경우, 제조공정의 관리가 쉽지 않은 문제점이 있다. 그리고 전자방출물질층 전체를 탄산염과 환원제의 혼합물질로 형성하게 되면, CC(cathode condition) 패턴의 불량이 발생할 우려가 있다.

일본국 특허공개 평 2-75128호에서는 니켈 재질의 베이스 상에 바륨을 포함하는 알카리 토류의 산화물층이 형성되고, 이 산화물층에는 스칸듐이 포함되며, 상기 베이스와 상기 산화물층 사이에 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh) 중의 적어도 하나 이상을 포함하는 금속층이 형성된 캐소드 기술이 개시되어 있다.

이러한 구조의 전자관 캐소드에서는 희토류 금속산화물이 과잉 바륨의 공급을 개선하지만, 과잉 바륨의 공급속도가 베이스의 니켈 중의 환원제의 확산속도로 제어되어서 2A/cm²이상의 고전류밀도 동작에서의 수명특성이 현저하게 낮아지는 문제점이 있다. 또한, 일본국 특허공개 평 2-75128호에서는 베이스 상의 금속층이 텅스텐(W)이나 몰리브데늄(Mo)보다 환원성이 작은 금속이므로 산화바륨을 환원하는 효과가 거의 없어서 고전류밀도 동작이 불가능한 문제점이 있다.

일본국 특허공개 평 3-230445호와 일본국 특허공개 평 2-267834호에서는 전자방출물질층이 3개의 층으로 이루어진 캐소드를 개시하고 있다. 즉, 일본국 특허공개 평 3-230445호에서는 베이스가 실리콘, 마그네슘 등의 환원성 원소를 포함한 니켈을 주성분으로 하고, 전자방출물질층의 제 1 층이 베이스 상에 형성된 0.05∼5 중량%의 산화스칸듐을 포함하고 바륨을 포함하는 알카리 토류 금속산화물을 주성분으로 하고, 전자방출물질층의 제 2 층이 제 1 층 상에 형성된 0.01∼5 중량%의 1B족, 3B족 혹은 5B족 금속원소 중의 하나 또는 그의 산화물을 포함하고 바륨을 포함하는 알카리 토류 금속산화물을 주성분으로 하고, 전자방출물질층의 제 3 층이 제 2 층 상에 형성된 바륨을 포함하는 알카리 토류 금속산화물을 주성분으로 한다.

또한, 일본국 특허공개 평 2-267834호에서는 베이스가 적어도 하나의 환원성원소를 포함하며 니켈을 주성분으로 하고, 전자방출물질층의 제 1 층이 베이스 상에 형성된 바륨을 포함하는 알카리 토류 금속을 주성분으로 하고, 전자방출물질층의 제 2 층이 제 1 층 상에 형성된 희토류 금속산화물, 희토류 금속, 내열성 금속산화물 및 내열성 금속의 적어도 하나로 이루어지고, 전자방출물질층의 제 3 층이 제 2 층 상에 형성된 바륨을 포함하는 알카리 토류 금속산화물을 주성분으로 한다.

전자방출물질층이 3층으로 이루어지는 구조를 갖는 캐소드의 경우, 제 2 층에 환원성 금속이 포함되어 있지만, 환원성 금속과 전자방출물질의 혼합된 형태로 존재하는데 이는 전술한 바와 같이, 환원제와 베이스 금속의 반응이 베이스 전체에 균일하지 않게 일어나서 전자가 균일하게 방출되지 못하는 우려가 있고, 제조공정관리가 쉽지 않으며 CC 패턴의 불량이 발생할 우려가 있다.

일본국 특허공개 평 3-257735호 및 이의 동일 특허인 미국특허 5,118,984와 유럽특허 445956 및 한국 특허공고 93-11964호에서는 베이스가 니켈을 주성분으로 하며 실리콘, 마그네슘, 텅스텐, 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 환원제를 포함하여 이루어지고, 금속층이 베이스의 상면에 형성되며 텅스텐과 몰리브데늄 중 적어도 하나 이상을 포함하고, 전자방출물질층이 금속층 상에 형성되며 적어도 바륨을 포함하는 알카리 토류 금속산화물을 주성분으로 하고 0.01∼25 중량%의 희토류 금속산화물을 포함하는 구조의 캐소드가 개시되어 있다.

여기에 개시된 종래의 캐소드에서는 본 발명의 도면 도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드 슬리이브(1)의 내부에 히터(3)가 배치되고, 캐소드 슬리이브(1)의 상측 개구에 베이스(5)가 배치되고, 베이스(5) 상에 전자방출물질층(7)이 형성되고, 베이스(5)와 전자방출물질층(7) 사이에 금속층(9)이 형성된다.

이러한 구조의 캐소드는 유리 바륨원자의 생성과 동시에 부가적인 반응생성물을 더 만들어 내므로 사용 초기에는 안정된 특성을 나타내나 시간이 경과할수록 수명이 급격히 단축되는 문제점이 있다.

한국특허 공개공보 99-58901호, 한국특허공개공보 99-59810호 및 한국특허 공개공보 2000-20817호에서는 유리 바륨원자의 생성시 베이스와 전자방출물질층 사이의 경계면에 축적되는 산화바륨과 실리콘 및 마그네슘의 반응생성물을 분산시키는 위한 방안으로서 그 경계면 사이에 금속층을 형성한 캐소드 기술이 개시되어 있다.

한국특허 공개공보 99-58901호에서는 베이스가 니켈을 주성분으로 하며 적어도 하나의 환원성 원소를 포함하고, 금속층이 베이스 상에 형성되며 텅스텐, 지르코늄-텅스텐 또는 텅스텐-니켈로 이루어지고, 전자방출물질층이 금속층 상에 형성되며 적어도 바륨을 포함한 알카리 토류 금속산화물을 포함하는 캐소드를 개시한다. 또한, 전자방출물질층에 란타늄(La)화합물과 마그네슘화합물이 동시에 또는 란타늄-마그네슘 복합화합물이 더 포함되거나, 상기 전자방출물질층 상에 적어도 바륨을 포함한 알카리토류 금속산화물에 란타늄화합물과 마그네슘화합물이 동시에 또는 란타늄-마그네슘 복합화합물이 포함된 제 2 전자방출물질층이 형성될 수도 있다. 한국특허공개공보 99-59810호에서는 금속층이 니켈을 주성분으로 하는 점을 제외하고는 한국특허 공개공보 99-58901호와 유사한 구조의 캐소드를 개시하고 있다. 한국특허 공개공보 2000-20817호에서는 금속층이 니켈, 텅스텐, 니켈-지르코늄, 지르코늄-텅스텐 또는 니켈-텅스텐을 주성분으로 이루어지고 상부면 중앙부에 표면적 확대를 위한 오목부가 형성된 점을 제외하고는 한국특허 공개공보 99-58901호와 유사한 구조의 캐소드를 개시하고 있다. 또한, 베이스의 하부에 니켈, 텅스텐, 니켈-지르코늄, 지르코늄-텅스텐 또는 니켈-텅스텐을 주성분으로 하는 제 2 금속층이 더 포함될 수도 있다.

그러나, 한국특허 공개공보 99-58901호, 한국특허공개공보 99-59810호 및 한국특허 공개공보에서는 베이스의 평균입자보다 작은 입자의 텅스텐, 지르코늄-텅스텐, 텅스텐-지르코늄층을 형성함으로써 중간층의 분산에는 어느 정도 효과가 있으나 베이스와 전자방출물질층 사이의 장벽층(barrier layer)을 형성함으로써 마그네슘과 실리콘을 주성분으로 하는 환원제의 확산경로를 차단하는 문제점이 있다.

그러나, 통상적으로 산화물 캐소드의 수명은 약 10,000시간으로 초기 2,000시간 이내에 마그네슘이 대부분 소모되고 그 이후에는 주로 실리콘이 환원제로서 소모된다. 캐소드의 수명에 관하여는 여러 가지 이론이 있으나 그 중 환원제가 소모되고 중간층이 환원제의 확산을 방해하며 중간층이 부도체로서 저항을 증가시켜 전자의 이동량을 감소시키게 된다는 것이 대표적인 이론이다. 그 결과, 고전류밀도의 조건에서 전자방출특성 및 수명특성을 향상시키는데 한계가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전자방출물질층들 사이에 환원성 금속층을 형성함으로써 고전류밀도의 조건에서 수명특성을 향상하도록 한 전자관 캐소드를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전자방출특성을 향상하도록 한 전자관 캐소드를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열적(thermal) 특성을 향상하도록 한 전자관 캐소드를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전력손실의 감소를 이루도록 한 전자관 캐소드를 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 전자관 캐소드의 구조를 나타낸 단면도.

도 2는 종래 기술에 의한 전자관 캐소드의 구조를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 전자관 캐소드의 구조를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 전자관 캐소드의 다른 구조를 나타낸 단면도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 전자관 캐소드의 전자방출특성을 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 전자관 캐소드의 수명특성을 나타낸 그래프.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 전자관 캐소드는

니켈을 주성분으로 하는, 적어도 하나의 환원제를 포함한 베이스;

상기 베이스의 상부에 형성되는, 적어도 바륨이 포함된 알카리 토류 금속산화물을 함유하는 제 1 전자방출물질층;

상기 제 1 전자방출물질층 상에 형성된 환원성 금속층; 그리고

상기 금속층 상에 형성되는, 적어도 바륨이 포함된 알카리 토류 금속산화물을 함유하는 제 2 전자방출물질층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 금속층이 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 그리고 티타늄 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 금속층이 레늄, 이트륨 그리고 레늄과 이트륨의 혼합물 중 어느 하나를 추가적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 어느 하나의 총양이 상기 금속층의 3∼5 중량%인 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속층의 양이 상기 제 1, 2 전자방출물질층들과 상기 금속층으로 이루어진 전체 전자방출층의 8∼15 중량%인 것이 바람직하다. 상기 금속층이 3∼5μm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 금속층이 스프레이법에 의해 적어도 1층 이상으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일실시예에 의한 전자관 캐소드는

니켈을 주성분으로 하는, 적어도 하나의 환원제를 포함한 베이스;

상기 베이스 상에 형성되는, 적어도 바륨이 포함된 알카리 토류 금속산화물을 함유하는 적어도 3층 이상의 전자방출물질층들; 그리고

상기 전자방출물질층들 사이에 각각 형성되는, 적어도 2층 이상의 환원성 금속층들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 금속층들이 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 그리고 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 금속층들이 레늄, 이트륨 그리고 레늄과 이트륨의 혼합물 중 어느 하나를 추가적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속층들로 이루어진 전체 금속층에 포함된, 상기 어느 하나의 총양이 상기 전체 금속층의 3∼5 중량% 인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전체 금속층들의 양이 상기 전자방출물질층들과 상기 금속층들을 포함한 전체 전자방출층의 8∼15 중량%인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전체 금속층이 3∼5μm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 전체 금속층의 각 금속층들이 스프레이법에 의해 적어도 1층 이상으로 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 금속층의 환원성 금속이 유리 바륨을 생성하는 역할을 수행함으로써 기존의 산화물 캐소드에 비하여 유리 바륨의 생성량을 증대하여 고전류밀도의 조건에서 수명특성 및 전자방출특성을 향상시킨다.

또한, 금속층이 환원성 금속을 사용함으로써 금속층과 전자방출물질층을 포함하여 이루어진 캐소드 전자방출층 내부의 금속층 복사열이 증가하여 캐소드의 온도가 상승하는 효과를 가지므로 캐소드가 보다 낮은 동작온도에서 동작할 수 있고 나아가 전력소비를 감소시키고 열적특성을 향상시키는 것도 가능하다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 전자관 캐소드를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 종래의 부분과 동일 구성에 대하여 설명의 명료성을 위해 동일 부호를 부여한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 전자관 캐소드의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 전자관 캐소드에서는 캐소드 슬리이브(1)의 상측 개구에 캡형상의 베이스(5)가 설치되고, 상기 베이스(5) 상에 제 1 전자방출물질층(11)이 형성되고, 상기 제 1 전자방출물질층(11) 상에 환원성 금속층(13)이 형성되고, 상기 금속층(13) 상에 제 2 전자방출물질층(15)이 형성된다. 상기 캐소드 슬리이브(1) 내에는 니크롬 재질의 히터(3)가 배치된다. 전체 전자방출층(10)은 제 1, 2 전자방출물질층(11),(15)과 금속층(13)을 모두 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 베이스(5)는 실리콘과 마그네슘과 같은 환원제를 0.01∼0.09 중량% 포함하며 고순도 니켈(Ni)을 주성분으로 한다. 상기 제 1, 2 전자방출물질층(11),(15)은 적어도 바륨을 포함하며 그 밖에 스트론튬 또는 칼슘을 포함하는 알카리 토류 금속산화물을 주성분으로 하고, 산화스칸듐, 산화이트륨 등의 희토류 금속산화물을 포함한다.

상기 금속층(13)은 3B족, 4B족, 5B족, 6B족 그리고 7B족 금속 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지거나, 3B족, 4B족, 5B족, 6B족 및 7B족 금속 중에서 선택된 2개 또는 그 이상으로 이루어질 수도 있다. 바람직하게는, 금속층(13)은 환원성 금속인 텅스텐, 몰리브데늄, 탄탈륨 그리고 티타늄 중에서 선택된 어느 하나, 예를 들어 텅스텐으로 이루어진다. 물론, 금속층(13)이 텅스텐, 몰리브데늄, 탄탈륨 그리고 티타늄 중에서 선택된 2개 또는 그 이상의 금속으로 이루어질 수도 있다.

또한, 금속층(13)에 레늄이 추가적으로 포함되고 그 양은 3∼5 중량% 인 것이 바람직하다. 금속층(13)에 이트륨이 추가적으로 포함될 수 있고 그 양은 금속층(13)의 3∼5 중량% 인 것이 바람직하다. 금속층(13)에 레늄과 이트륨의 혼합물이 추가적으로 포함될 수 있고, 그 혼합물의 양은 금속층(13)의 3∼5 중량% 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 1, 2 전자방출물질층(11),(15)과 상기 금속층(13)을 포함하여 이루어진 전체 전자방출층(10)의 두께가 바람직하게는 60∼100μm이고, 더욱 바람직하게는 약 70μm이다. 상기 금속층(13)은 상기 전체 전자방출층(10)의 8∼15 중량%의 양으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 금속층(13)은 4∼12μm의 두께, 바람직하게는 3∼5μm의 두께로 형성된다. 상기 금속층(13)은 스프레이법에 의해 형성될 수 있고 그 외의 통상적인 방법에 의해 형성될 수도 있다.

한편, 금속층(13)이 설명의 편의상 이해를 돕기 위하여 도 3에서 3∼5μm의 두께를 갖는 1층으로 구성된 것으로 도시되어 있으나, 실제로는 3∼5μm의 두께보다 훨씬 얇은 두께를 갖는, 2층 이상의 다수층으로 구성될 수도 있음은 자명한 사실이다. 이때, 상기 다수층의 각각이 스프레이법으로 형성되고 나면 열처리가 필요한데 이는 이들 사이의 계면 특성을 활용하여 캐소드의 특성 향상을 이루기 위함이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 전자관 캐소드의 전자방출물질층들 및 금속층의 형성방법을 간단히 살펴보면, 먼저, 실리콘과 마그네슘과 같은 환원제를 0.01∼0.09 중량% 포함하며 고순도 니켈을 주성분으로 하는 베이스(5)의 하면부를 캐소드 슬리이브(1)의 상측 개구에 용접한다. 그런 다음, 상기 베이스(5)의 상면부에 스프레이법에 의해 적어도 바륨을 포함하며 그 밖에 스트론튬 또는 칼슘을 포함하는 알카리 토류 금속산화물을 주성분으로 하고, 산화스칸듐, 산화이트륨 등의 희토류 금속산화물을 포함하는 제 1 전자방출물질층(11)을 형성한다.

이어서, 상기 제 1 전자방출물질층(11) 상에 3B, 4B, 5B, 6B, 7B족 금속 중에서 선택된 어느 하나를 스프레이함으로써 금속층(13)을 형성한다. 물론, 제 1 전자방출물질층(11) 상에 3B족, 4B족, 5B족, 6B족 및 7B족 금속 중에서 선택된 2개 또는 그 이상을 스프레이함으로써 금속층(13)을 형성하는 것도 가능하다.

이를 좀 더 상세히 언급하면, 상기 제 1 전자방출물질층(11) 상에 환원성 금속인 텅스텐, 몰리브데늄, 탄탈륨 및 티타늄 중에서 선택된 어느 하나, 예를 들어 텅스텐을 스프레이함으로써 금속층(13)을 형성한다. 물론, 상기 제 1 전자방출물질층(11) 상에 텅스텐, 몰리브데늄, 탄탈륨 그리고 티타늄 중에서 선택된 2개 또는 그 이상을 스프레이함으로써 금속층(13)을 형성하는 것도 가능하다.

이때, 금속층(13)에 레늄을 추가적으로 포함하되, 바람직하게는 금속층(13)의 3∼5 중량%로 포함할 수 있다. 물론, 금속층(13)에 이트륨을 추가적으로 포함하되, 바람직하게는 금속층(13)의 3∼5 중량%로 포함할 수 있다. 또한, 금속층(13)에 레늄과 이트륨의 혼합물을 추가적으로 포함하되, 바람직하게는 금속층(13)의 3∼5 중량%로 포함할 수 있다. 이는 수명시간에 따른 캐소드최대전류의 감소를 억제하기 위함이다.

또한, 상기 금속층(13)은 제 1,2 전자방출물질층(11),(15) 및 금속층(13)을 포함하여 이루어진 전체 전자방출층(10)의 8∼15 중량%의 양으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속층(13)은 4∼12μm의 두께, 바람직하게는 3∼5μm의 두께로 형성된다.

한편, 금속층(13)은 설명의 편의상 이해를 돕기 위하여 도 3에서 3∼5μm의 두께를 갖는 1층으로 구성된 것처럼 도시되어 있으나, 실제로는 여러번의 스프레이공정을 반복함으로써 3∼5μm의 두께보다 훨씬 얇은 두께를 갖는, 다수층으로 구성함은 자명한 사실이다. 이때, 상기 다수층의 각각이 스프레이법으로 형성되고 나면 열처리가 필요한데 이는 이들 사이의 계면 특성을 활용하여 캐소드의 특성 향상을 이루기 위함이다.

마지막으로, 상기 금속층(13) 상에 상기 제 1 전자방출물질층(11)과 동일한 재질로 이루어진 제 2 전자방출물질층(15)을 스프레이법으로 형성함으로써 본 발명의 전자관 캐소드를 완성한다. 여기서, 상기 전자방출층(11),(15)과 상기 금속층(13)을 포함하여 이루어진 전체 전자방출층(10)의 두께가 바람직하게는60∼100μm이고, 더욱 바람직하게는 약 70μm이다.

한편, 전자방출물질층(11),(15)과 금속층(13)의 형성은 스프레이법 대신에 인쇄법, 전착법 및 금속염 용액법 등의 물리, 화학, 기계적인 방법에 의해 실현될 수 있다.

이와 같은 방법으로 완성된 본 발명의 전자관 캐소드에 대하여 6000시간의 동작시간동안에 전자방출전류의 감소량을 측정하고 그 결과를 도 5에 나타내었다. 금속층(13)의 샘플들은 각각 3μm ≤t ≤ 5μm, 1μm ≤t ≤ 3μm, 5μm ≤ t ≤15μm의 두께를 갖는다. t는 금속층(13)의 두께이다. 측정조건은 필라멘트전압(Ef)이 6.3V이고, 캐소드전류(Ik)가 150μA이고, 애노드 상의 직류전압(Eb)이 25KV이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 금속층(13)의 두께가 3μm ≤t ≤ 5μm인 샘플에서 동작시간에 따른 방출전류 감소가 가장 적고, 금속층(13)의 두께가 5μm ≤ t ≤15μm인 샘플에서 동작시간에 따른 방출전류 감소가 가장 많으며 금속층(13)의 두께가 1μm ≤t ≤3μm인 샘플에서 동작시간에 따른 방출전류 감소가 중간 정도이다. 따라서, 금속층(13)이 3∼5μm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 전자관 캐소드에 대하여 25000시간의 수명시간동안에 최대캐소드전류의 감소량을 3A/cm²의 전류밀도에서 측정하고 그 결과를 도 2의 종래 예와 비교하여 도 6에 나타내었다. 여기서, 종래 예는 산화물 캐소드이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 금속층(13)에 추가적으로 포함된 레늄, 이트륨 그리고 레늄과 이트륨의 혼합물 중 어느 하나가 상기 금속층(13)의 3∼5 중량%인 경우에 종래 예보다 최대 캐소드전류의 감소가 적고, 금속층(13)의 3 중량% 미만인 경우에 종래 예보다 최대 캐소드전류의 감소가 많아지고, 금속층(13)의 5 중량% 초과인 경우에 종래 예보다 최대 캐소드전류의 감소가 더욱 많아진다. 따라서, 금속층(13)에 포함된 레늄, 이트륨 그리고 레늄과 이트륨의 혼합물 중 어느 하나가 금속층(13)의 3∼5 중량%인 것이 바람직하다.

한편, 캐소드의 전자방출능력은 산화물의 과잉바륨의 존재량에 의존한다. 일 예로, 본 발명에서 베이스금속 내부에 존재하는 마그네슘, 실리콘의 환원작용으로 생성된 유리바륨 외에 전자방출층 내부에 첨가된 레늄과 이트륨 중 적어도 어느 하나를 3∼5 중량% 포함한 텅스텐은 하기식과 같이 반응한다.

2BaO + 1/3W = Ba + 1/3Ba₃WO₄

2BaO + 1/3Re = Ba + 1/3Ba₃ReO₄

1/2Ba₂2SiO₄+ 4/3Y = Ba + 1/2Si + 2/3Y₂O₃

상기 식에서 보듯이 텅스텐 분말층은 비록 환원력이 마그네슘이나 실리콘에 비하여 약하지만 계속적인 환원반응을 통해 기존의 캐소드 이상의 유리바륨을 생성한다. 또한, 이트륨은 상기와 같이 중간생성물을 분해하는 작용을 함으로써 유리바륨의 생성에 기여를 한다.

본 발명에서 환원성 금속층을 전자방출물질층 내부에 삽입하는 것은 기존의 베이스 상부에 환원성 금속층을 형성함으로써 발생되던 환원성 금속(마그네슘, 실리콘)의 확산억제 영향을 미치지 않게 하기 위함이다.

도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 전자관 캐소드의 다른 구조를 나타낸 단면도이다. 도 3의 부분과 동일 구성 및 동일 작용의 부분에는 동일 부호를 부여한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 캐소드 슬리이브(1)의 상측 개구에 캡형상의 베이스(5)가 설치되고, 상기 베이스(5) 상에 제 1 전자방출물질층(21)이 형성되고, 상기 제 1 전자방출물질층(21) 상에 제 1 금속층(23)이 예를 들어 스프레이법에 의해 형성되고, 상기 제 1 금속층(23) 상에 제 2 전자방출물질층(25)이 형성되고, 상기 제 2 전자방출물질층(25) 상에 제 2 금속층(27)이 예를 들어 스프레이법에 의해 형성되고, 상기 제 2 금속층(27) 상에 제 3 전자방출물질층(29)이 형성된다. 상기 캐소드 슬리이브(1) 내에는 니크롬 재질의 히터(3)가 배치된다.

여기서, 전체 전자방출층(20)은 제 1 전자방출물질층(21), 제 1 금속층(23), 제 2 전자방출물질층(25), 제 2 금속층(27) 및 제 3 전자방출물질층(29)으로 구성된다. 전체 금속층은 제 1 금속층(23)과 제 2 금속층(27)으로 구성된다.

또한, 상기 제 1, 2, 3 전자방출물질층(21),(25),(29)은 적어도 바륨을 포함하며 그 밖에 스트론튬 또는 칼슘을 포함하는 알카리 토류 금속산화물을 주성분으로 하고, 산화스칸듐, 산화이트륨 등의 희토류 금속산화물을 포함한다.

또한, 상기 제 1, 2 금속층들(23),(27)이 동일 재질로 이루어지며 동일 두께로 이루어진다. 물론, 제 1, 2 금속층들(23),(27)이 동일 재질로 이루어지되 상이한 두께로 이루어지는 것도 가능하다. 상기 제 1, 2 금속층(23),(27)은 3B족, 4B족, 5B족, 6B족 그리고 7B족 금속 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지거나, 3B족,4B족, 5B족, 6B족 그리고 7B족 금속 중에서 선택된 2개 또는 그 이상으로 이루어질 수도 있다.

바람직하게는, 제 1, 2 금속층(23),(27)은 환원성 금속인 텅스텐, 몰리브데늄, 탄탈륨 그리고 티타늄 중에서 선택된 어느 하나, 예를 들어 텅스텐으로 이루어진다. 물론, 제 1, 2 금속층(23),(27)이 텅스텐, 몰리브데늄, 탄탈륨 그리고 티타늄 중에서 선택된 2개 또는 그 이상으로 이루어지는 것도 가능하다.

또한, 제 1 금속층(23)에 레늄, 이트륨 및 레늄과 이트륨의 혼합물 중 어느 하나가 추가적으로 포함되고, 제 2 금속층(27)에도 레늄, 이트륨 그리고 레늄과 이트륨의 혼합물 중 어느 하나가 추가적으로 포함된다. 이때, 제 1, 2 금속층(23),(27)으로 이루어진 전체 금속층에 포함된 총양은 상기 전체 금속층의 3∼5 중량% 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 전체 금속층은 상기 전체 전자방출층(20)의 8∼15 중량%인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전체 금속층의 총 두께는 4∼12μm, 바람직하게는 동작시간에 따른 방출전류의 감소를 억제하기 위해 3∼5μm로 결정된다. 상기 금속층(23),(27)은 스프레이법에 의해 형성될 수 있고 그 외의 통상적인 방법에 의해 형성될 수도 있다.

한편, 금속층(23),(27)의 각각이 설명의 편의상 이해를 돕기 위하여 도 4에서 1층으로 구성된 것으로 도시되어 있으나, 금속층(23)이 자신의 두께보다 훨씬 얇은 두께를 갖는 2층 이상의 다수층으로 구성되고 금속층(27)이 자신의 두께보다 훨씬 얇은 두께를 갖는 2층 이상의 다수층으로 구성될 수 있음은 자명한 사실이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 다른 실시예에 의한 전자관 캐소드는 본 발명의 실시예에 의한 전자관 캐소드와 유사하므로 설명의 편의상 설명의 중복을 피하기 위해 이에 대한 상세한 기술을 생략하기로 한다.

또한, 설명의 편의상 이해를 돕기 위해 2층의 금속층들(23),(27)과 3층의 전자방출물질층(21),(25),(29)으로 이루어진 전자관 캐소드를 도시하고 있으나 실제로는 이보다 훨씬 많은 층수의 금속층들과 전자방출물질층으로 이루어진 전자관 캐소드의 구조도 가능함은 자명한 사실이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 전자관 캐소드는 베이스 상에 적어도 바륨이 포함된 알카리 토류 금속산화물을 함유하는 전자방출물질층이 형성되고, 상기 전자방출물질층 사이에 적어도 1층 이상의 환원성 금속층이 형성되는 구조로 이루어진다. 상기 금속층이 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 그리고 티타늄 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진다. 상기 금속층은 레늄과 이트륨 중 적어도 하나를 추가적으로 포함하고, 그 양은 금속층의 3∼5 중량%이다. 상기 금속층은 상기 금속층과 전자방출물질층을 포함한 전체 전자방출층의 8∼15 중량%의 양으로 형성된다. 상기 금속층은 3∼5μm의 두께로 스프레이법에 의해 형성된다. 또한, 상기 금속층은 여러번의 스프레이공정을 반복함으로써 자신의 두께보다 훨씬 얇은 두께를 갖는, 다수층으로 구성된다. 이때, 상기 다수층의 각각이 스프레이법으로 형성되고 나면 열처리가 필요한데 이는 이들 사이의 계면 특성을 활용하여 캐소드의 특성 향상을 이루기 위함이다.

따라서, 본 발명은 유리 바륨의 양을 증대하여 전자방출특성과 수명특성을 향상시킨다. 또한, 환원제를 첨가함으로써 금속층의 복사열이 증가하고 캐소드의 온도가 상승하므로 낮은 동작온도에서 동작가능하고 나아가 고전류밀도에서도 수명특성이 향상되고, 전력소비가 감소하고 열적특성이 향상된다. 그 결과, 본 발명의 캐소드를 사용함으로써 종래의 캐소드로는 어려웠던 고휘도 및 고선명 전자관이 실현 가능하다.

한편, 본 발명은 도시된 도면과 상세한 설명에 기술된 내용에만 한정하지 않으며 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 수정 및 변형도 가능함은 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이다.

Claims (14)

1. 니켈을 주성분으로 하는, 적어도 하나의 환원제를 포함한 베이스;

   상기 베이스의 상부에 형성되는, 적어도 바륨이 포함된 알카리 토류 금속산화물을 함유하는 제 1 전자방출물질층;

   상기 제 1 전자방출물질층 상에 형성된 환원성 금속층; 그리고

   상기 금속층 상에 형성되는, 적어도 바륨이 포함된 알카리 토류 금속산화물을 함유하는 제 2 전자방출물질층을 포함하는 전자관 캐소드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층이 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 그리고 티타늄 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 금속층이 레늄, 이트륨 그리고 레늄과 이트륨의 혼합물 중 어느 하나를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 어느 하나의 총양이 상기 금속층의 3∼5 중량%인 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층이 상기 제 1, 2 전자방출물질층들과 상기 금속층으로 이루어진 전체 전자방출층의 8∼15 중량%의양을 갖는 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 금속층이 3∼5μm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 금속층이 스프레이법에 의해 적어도 1층 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.
8. 니켈을 주성분으로 하는, 적어도 하나의 환원제를 포함한 베이스;

   상기 베이스 상에 형성되는, 적어도 바륨이 포함된 알카리 토류 금속산화물을 함유하는 적어도 3층 이상의 전자방출물질층들; 그리고

   상기 전자방출물질층들 사이에 각각 형성되는, 적어도 2층 이상의 환원성 금속층들을 포함하는 전자관 캐소드.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 금속층들이 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 그리고 티타늄 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 금속층들이 레늄, 이트륨 그리고 레늄과 이트륨의 혼합물 중 어느 하나를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 어느 하나의 총양이 상기 전체 금속층의 3∼5 중량% 인 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.
12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전체 금속층의 양이 상기 전자방출물질층들과 상기 금속층들을 포함한 전체 전자방출층의 8∼15 중량%인 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 전체 금속층이 3∼5μm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 전체 금속층의 각 금속층들이 스프레이법에 의해 적어도 1층 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 전자관 캐소드.