KR100453742B1 - 경량음극선관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경량 음극선관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반 텔레비젼이나 모니터용으로 사용되는 음극선관에서 전면유리의 두께를 감소하여 경량화하면서도 기계적 강도와 엑스선 방출량의 억제를 기존 음극선관 수준 이상을 유지시키되, 기존의 전면유리의 중앙부의 두께를 20% 이상 감소시켰으며, 이온교환에 의하여 전면유리에 135 kg/cm²이상의 압축응력을 형성시키고, 전면유리의 엑스선 흡수계수가 34 cm^-1이상이 되도록 하면서 폴리머 필름을 전면유리에 부착하여 신뢰성을 향상시킴으로써 경량화와 물성 유지의 효과를 모두 갖춘 새로운 경량 음극선관에 관한 것이다.

Description

경량 음극선관

본 발명은 경량 음극선관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반 텔레비젼이나 모니터용으로 사용되는 음극선관에서 전면유리의 표면을 이온교환시켜서 강화시키고 전면유리의 엑스선 흡수계수가 34 cm^-1이상이 되도록 하면서 폴리머 필름을 전면유리에 부착하여 신뢰성을 향상시킴으로써, 그 전면유리의 두께를 감소시켜 경량화하면서도 기계적 강도와 엑스선 방출량의 억제를 기존 음극선관 수준 이상으로 유지시켜서 경량화와 물성 유지의 효과를 모두 갖도록 개선한 경량 음극선관에 관한 것이다.

일반 텔레비젼과 모니터용 음극선관은 화상이 표시되는 전면유리, 편향코일이 부착되는 후면유리 및 전자총이 삽입되는 넥크로 된 3종류의 유리에 의하여 내외부가 차단되어 고진공을 유지한다. 최근 들어서 음극선관은 대형화, 평탄화 및 고정세화의 추세에 있으며, 특히 대형화와 평탄화된 음극선관은 종래의 음극선관에 비하여 큰 유리의 강도를 요구하게 된다. 이중에서도 전면유리는 음극선관 전체 중량의 절반을 차지하는 데, 대형화 및 평탄화시 강도 증가를 위해 두께를 두껍게 하면 중량이 급격히 증가하게 될 뿐만 아니라 유리의 성형과 음극선관의 제조 공정에서 생산성을 급격히 저하시킨다. 따라서, 음극선관 전면유리의 두께를 얇게 하여 경량화된 음극선관을 제조하는 것은 관련 산업의 숙원 과제이다.

음극선관 유리는 그 내부가 고진공인 상태에서 외부의 일정한 충격에도 파손되지 않는 강도와 음극선관의 전자총에서 나온 고에너지의 전자가 음극선관 내부의 섀도우마스크 등과 충돌시 방출되는 엑스선을 차단하는 기능을 가져야 한다. 그러므로, 음극선관 유리의 경량화를 위해서는 얇으면서도 충분히 강한 강도를 갖도록하는 기술과 엑스선 흡수계수가 높은 유리의 개발을 필요로 한다.

지금까지 음극선관의 강도 증가를 위한 방법으로 전면유리의 성형 후 냉각시 표면에 압축응력을 주는 물리적 강화 방법, 유리 표면의 결함을 제거하는 표면 에칭 강화 방법, 그리고 유리의 전이점 이하에서 Na⁺이온을 K⁺이온으로 치환하는 화학적 강화방법에 의해 음극선관 전면유리를 강화하는 시도가 이루어져 왔다.

그러나, 이들 방법이 부분적으로 일부 대형화 혹은 평탄화된 음극선관 유리에 적용되기도 하였으나, 물리적 방법은 복잡한 형상의 전면유리에서 필요로 하는 충분한 강도를 얻을 수 없으며, 이온교환이나 표면 결함 제거 방법은 음극선관 제조 공정이나 최종 제품으로 실제 사용 시 외부 손상에 의한 신뢰성을 확보하기에 어려운 점이 있다. 특히, 음극선관 유리의 두께를 얇게 하여 경량화된 음극선관을 제조하기 위한 충분한 강화 기술이 개발되지 않고 있음은 물론 5 ∼ 10% 이상 전면유리의 두께가 얇아지면 엑스선의 방출량이 허용치 이상으로 커지는 문제점이 나타난다. 따라서, 음극선관의 대형화 및 평탄화에 대응하여 획기적으로 두께를 줄여 음극선관의 유리 무게를 감소한 기술과 제품은 아직까지 개발되지 않고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 종래의 음극선관의 대형화, 평탄화 시에 유리의 두께가 두꺼워지므로 인해 유리무게가 무거워지는 단점을 개선하기 위하여, 음극선관의 전면유리의 두께를 감소시켜서 경량화하면서도 기계적 강도와 엑스선 방출량의 억제를 기존 음극선관 수준 이상으로 유지하는 새로운 경량 음극선관을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 텔레비젼이나 모니터용으로 사용되는 음극선관에 있어서, 상기 음극선관의 전면유리는 엑스선 흡수계수가 0.6 Å에서 34 cm^-1이상이고, 그 전면유리의 표면은 이온교환되어 135 kg/cm²이상의 압축응력이 형성되어 있으며, 그 전면유리 표면에 폴리머 필름이 부착되어 있는 경량 음극선관을 그 특징으로 한다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 종래의 음극선관이 대형화, 평탄화되면서 그 중량이 크게 증대되면서 나타나는 문제점을 개선하기 위하여, 음극선관의 전면유리의 중앙부 두께를 적어도 20% 정도 감축시킨 새로운 경량 음극선관으로서, 이렇게 경량화된 음극선관을 제조하기 위해서는 유리의 표면 강도의 향상을 위한 강화기술, 엑스선 방출량억제효과의 개선 및 신뢰성 확보 등이 달성되어야 한다는 사실을 밝혀 내고 이들 과제를 적절한 방법의 개발로 달성하게 되었다.

일반적으로 텔레비젼이나 모니터에 사용되고 있는 음극선관은 기본적으로 내부에 걸리는 고진공에 의하여 형성되는 압력차에 대응하는 강도를 지녀야 한다. 특히, 단순히 음극선관에 걸리는 대기압의 차이(1 kg/cm²) 만큼에 대응하는 강도가 아니라 장기간의 사용에서의 신뢰성의 확보를 위해 대기압의 3배에 해당하는 3 kg/cm²의 압력 차이에서 파괴가 일어나지 않아야 한다. 따라서, 일반적으로는 이러한 조건을 고려하여 음극선관의 제조 시에 음극선관의 내외부의 압력차에 의하여 나타나는 1 기압 하에서 전면유리 표면의 인장응력이 80 kg/cm²이하가 되도록 설계를 하며, 이때의 전면유리는 내외부의 압력 차이가 3 kg/cm²일 때 파괴가 일어나지 않는 수준이 된다. 유리 표면의 인장응력은 전면유리의 두께의 제곱에 반비례하여 커진다. 따라서, 전면유리의 두께를 20% 줄이면 1 기압 하에서 80 kg/cm²(0.8)2 즉, 125 kg/cm²의 인장응력이 형성되어 설계치 80 kg/cm²이하로 하기 위해서는 45 kg/cm²의 압축응력이 필요하며, 장기간의 신뢰성을 고려할 경우 3 기압하에서는 3×45 kg/cm²즉, 135 kg/cm²의 압축응력이 필요하다.

따라서, 본 발명에서는 음극선관의 전면유리의 표면 강화를 위해 음극선관의 전면유리를 이온교환 방법 즉, 전면유리의 전이점 이하에서 이온 반경이 작은 나트륨 이온을 이온 반경이 큰 칼륨 이온으로 치환하는 이온교환을 통해 유리표면에 압축응력을 형성시켜 음극선관의 제조에 사용하였다.

이러한 이온교환을 통한 유리표면 강화 방법은 예컨대, 질산칼륨을 이용한 방법이 적용될 수 있는 바, 구체적으로는 성형된 전면유리를 400 ∼ 500 ℃까지 서서히 가열한 후 미리 400 ∼ 500 ℃로 가열된 KNO₃를 함유하고 있는 용융염액 중에 넣어 3 ∼ 5시간 처리하여 유리 표면의 Na⁺이온을 K⁺이온으로 교환하여 표면에 압축응력층을 형성시키고 음극선관 제조 공정의 열처리 공정과 동일하게 열처리시키면 표면강화가 완료된다. 이렇게 강화처리된 전면유리 표면의 최종 압축응력은 350 ∼ 600 kg/cm²을 나타낸다. 이 값은 음극선관 제조 후 내외부의 압력차가 3 기압일 때의 파괴가 일어나지 않을 이론적인 압축응력값인 두께가 20% 감소된 경우의 135 kg/cm², 30%가 감소된 경우의 파괴가 일어나지 않을 이론적인 압축응력값인 240 kg/cm²보다 높다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 이온 교환 후 음극선관의 제조 시 수차의 가열 및 냉각 공정을 거치게 되며, 이때 표면의 압축응력의 열화를 고려하여 전면유리의 이온 교환시의 압축응력은 최종 음극선관에서의 압축응력값의 2 배 이상이 되도록 하였다.

음극선관의 전면유리의 중요한 특성의 하나는 전자총으로 나와 수십 kV의 에너지로 가속된 전자가 섀도우마스크, 형광체 및 유리 등과 부딪힐 때 발생되는 엑스선을 차단하는 것이다. 엑스선의 허용치는 음극선관의 전면유리 중앙부의 표면에서 5 mR/시간이다. 엑스선의 방출량은 다음 수학식 1로 표현된다.

[수학식 1]

여기에서, I는 전면유리를 통과한 엑스선의 방출량, I₀는 초기 엑스선의 방출량, μ는 엑스선 흡수계수, t는 전면유리의 두께이다.

즉, 두께 t가 작아지는 만큼 엑스선 흡수계수 μ는 증가되어야만 하는 것이다.

종래의 일반 TV 등에 사용되는 음극선관에는 엑스선 흡수계수가 0.6 Å의 파장에서 28 cm^-1인 조성의 전면유리가 사용되었으며, 엑스선 흡수 계수가 높은 조성의 유리는 원가가 높고 생산성이 낮아 프로젝션 TV 등 특수한 용도로 사용되어 왔다.

따라서, 본 발명에서는 두께가 20% 이상으로 얇게 하여도 기존의 엑스선 방출량과 동일 수준을 유지할 수 있도록 엑스선 흡수계수가 0.6 Å의 파장에서 34 cm^-1이상의 고엑스선 흡수 유리를 사용하며, 전면유리의 무게를 줄여 원가의 높아지는 결점을 보완함은 물론 두께가 얇고 무게가 가벼워짐에 따라 생산성을 획기적으로 향상시켰다. 특히, 대형화에 따라 전자총에 인가되는 전압이 커지면서 발생되는 엑스선의 파장이 짧아지는 추세에 맞추어 전면유리의 조성 중 BaO의 양을 증가시킴으로써 고전압에서의 엑스선 흡수 능력을 종래의 유리보다 20% 이상 향상시킬 수 있게된다.

이와 같은, 고엑스선 흡수계수를 가지는 음극선관 전면유리로는 예컨대, SiO₂52 ∼ 56 중량%, Li₂O 0.1 ∼ 0.5 중량%, Na₂O 6 ∼ 8 중량%, K₂O 6 ∼ 8 중량%, MgO 0.1 ∼ 1 중량%, CaO 0.5 ∼ 2 중량%, BaO 12 ∼ 16 중량%, SrO 6 ∼ 8 중량%, ZrO₂2 ∼ 4 중량%, TiO₂0.3 ∼ 0.7 중량%, CeO₂0.3 ∼ 0.7 중량%, Al₂O₃2.0 ∼ 3.5 중량%, Sb₂O₃0.3 ∼ 0.7 중량% 의 범위로 조성된 유리가 사용 가능하다.

한편, 위와 같이 음극선관의 전면유리를 엑스선의 고흡수율을 갖는 유리조성으로 사용하고 또 그 유리표면을 이온교환에 의해 강화시켜 사용한다고 하더라도 그 전면유리의 중앙부 두께를 종전보다 20% 이상 얇게 제조하는 경우 음극선관의 실제 사용 시 있을 수 있는 일정의 외부의 손상에 대해 파괴가 일어나지 않아야 하므로, 이에 따른 신뢰성을 부여해 주어야 할 필요가 있다.

따라서, 본 발명에서는 전면유리 표면에 보강필름을 부착하였는 바, 일반적으로 이온교환 시 표면에 형성되는 압축응력층의 두께는 10 ∼ 40 ㎛로서 만일 유리표면에 사포에 의한 가상을 주게 되면 발생되는 크랙이 이 층을 통과하기 때문에 이온 교환의 효과가 상실된다. 이런 점을 방지하기 위해 장시간 이온교환을 하면 압축응력층은 깊게 할 수 있으나 제조 원가가 상승됨은 물론 일정시간 이상에서는 열적인 강도 감소 효과에 따라 충분한 강도를 유지할 수 없게 된다. 이런 문제를해결하기 위해서, 본 발명에서는 음극선관의 전면유리에 예컨대, 폴리에스터, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 아크릴, 폴리에칠렌, 우레탄 등과 같은 폴리머 재질의 약 0.01 ∼ 0.5 mm 두께의 보강 필름을 열경화나 자외선 경화법에 의하여 접착하는 방법으로 유리에 부착하여 외부의 충격으로부터 음극선관의 파손을 방지함은 물론 일정 이상의 충격에 의하여 파괴가 일어나더라도 파편의 비산을 막아 안전성을 증진시켜서 전면유리의 두께 감소에 따른 신뢰성을 확보하였다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 음극선관을 제조함에 있어서 전면유리를 형성할 때 엑스선 흡수계수가 0.6 Å에서 34 cm^-1이상인 특정 조성의 유리를 사용함과 동시에 그 전면유리를 이온교환에 의해 강화 처리하여 135 kg/cm²이상의 압축응력을 형성함으로써 전면유리의 중앙부 두께를 20% 이상 감소시킬 수 있게 되고, 또한 그 전면유리의 두께감소로 인해 외부 충격에 의해 파손될 우려에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 유리표면에 보강 폴리머 필름을 부착시킴으로써 음극선관의 경량화를 달성할 수 있게 된 것이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1 ∼ 3

음극선관의 전면유리를 얇게 하면서도 엑스선의 방출량을 줄이기 위해서는 종래의 유리보다 엑스선 흡수계수가 높은 조성의 유리로서 다음 표 1과 같이 엑스선 흡수계수가 높으면서도 제반 물리적 화학적 특성이 음극선관의 전면유리에 적용가능한 조성을 선택하여 통상의 방법으로 25인치 크기의 전면유리를 제조하되 다음표 2와 같은 두께(10% 감소, 20% 감소, 30% 감소)로 각각 제조하였다.

이렇게 제조된 전면유리에 대하여 이온교환 강화를 위해 성형된 전면유리를 440 ℃까지 서서히 가열한 후 미리 440 ℃로 가열된 KNO₃를 함유하고 있는 용융염액 중에 넣어 3시간 처리하여, 유리표면의 Na⁺이온을 K⁺이온으로 교환하여 표면에 압축응력층을 형성하였다. 그 후 이 전면유리를 음극선관 제조 공정의 열처리 공정과 동일하게 처리한 후 표면의 압축응력층의 형성을 완료하였다.

그 다음으로, 강화된 전면유리의 앞면에 두께 0.3 mm의 투명한 폴리에스테르 필름을 열경화법에 의해 도포하여 경량 음극선관을 제조하였다.

비교예 1 ∼ 3

상기 실시예 1과 같은 방법으로 경량 음극선관을 제조하되 유리 조성은 다음 표 1에서의 조성으로 하고, 역시 다음 표 2와 같은 두께(10% 감소, 20% 감소, 30% 감소)로 각각 제조하였다.

[표 1]

[표 2]

실험예

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 음극선관에 대하여 각각 40 kV에서 엑스선 방출량을 측정하였으며 결과는 상기 표 2와 같다.

위의 표 2에서와 같이 기존의 조성 유리(비교예)는 10%만 두께를 얇게 하여도 엑스선의 방출량이 규제치인 0.5 mR/hr 에 근접하게 되며 20% 이상 두께를 줄인 경우에는 규제치를 훨씬 초과하는 엑스선 방출량을 보이고 있다. 그러나, 실시예에서 제조한 엑스선 고흡수 유리의 경우 기존 두께보다 20% 얇게 하여도 엑스선의 방출량은 기존 수준 이하를 유지하며, 30%까지 두께를 줄여도 규제치인 0.5 mR/hr 이하를 유지한다. 따라서, 이는 본 발명에 따른 실시예의 조성을 사용시 음극선관의 전면유리의 두께를 20% 이상 감소시킬 수 있음을 의미한다.

한편, 실시예에서 제조한 이온교환 처리된 강화유리에 대해 응력 게이지를 이용하여 표면에 형성된 압축응력을 측정하였으며, 압축응력은 1050 kg/cm²이었다.

이 전면유리를 음극선관 제조 공정의 열처리 공정과 동일하게 처리한 후 표면의 최종 압축응력을 측정하였더니 열처리 이후의 압축응력은 530 kg/cm²이었다.

이로부터 음극선관 제조 후 내외부의 압력차가 3 기압일 때의 파괴가 일어나지 않을 이론적인 압축응력값인 두께가 20% 감소된 경우의 135 kg/cm²30%가 감소된 경우의 파괴가 일어나지 않을 이론적인 240 kg/cm²보다 높은 것임을 확인할 수 있었다.

또한, 제조된 음극선관 전면유리의 측면 부분에 보강 밴드를 장착한 후 내압강도 실험을 하였다. 내압 강도 실험은 밀폐된 수조에 음극선관을 넣고 음극선관 내부와 외부의 압력차를 3 kg/cm²으로 하여 파괴 여부를 확인하였다.

그 결과, 강화하지 않고 전면유리의 두께를 20%, 30% 감소한 시료인 비교예의 경우는 대부분 파괴가 일어났으며, 이온 교환에 의하여 강화한 유리인 실시예의 경우는 전혀 파괴가 일어나지 않았다.

그리고, 실제 사용시의 안전성 확보여부를 확인하기 위해 폴리에스테르 필름의 도포전의 실시예 1에 따라 제조된 시료에 대해 #150 사포로 시료 표면에 가상을 주고 내압 실험을 한 결과 일부 시료에서 파괴가 일어났다. 이는 #150 사포에 의하여 가상을 줄 때 표면의 크랙이 이온 교환층을 뚫고 들어감을 뜻한다.

그러나, 폴리에스테르 필름의 도포전의 실시예 1에 따라 제조된 시료에 대해 CSA(Canadian Standards Association) 및 UL1418(Underwriters Laboratories Inc.)의 실험 방법을 기준으로 방폭 성능을 평가하였다. 방폭 평가실험에서 엑스선 고흡수 조성을 가지며, 두께를 20%, 30% 각각 줄여서 이온 교환에 의하여 강화하고 폴리머 필름을 부착한 실시예의 음극선관은 모든 기준을 만족시켰다.

결론적으로, 본 발명에 따른 실시예의 음극선관은 전면유리의 두께를 20% 이상 감소시켜 경량화하면서도 기계적 강도와 엑스선 방출량의 억제를 기존 음극선관 수준 이상을 유지할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 음극선관을 제조함에 있어서 전면유리를 형성할 때 엑스선 흡수계수가 0.6 Å에서 34 cm^-1이상인 특정 조성의 유리를 사용함과 동시에 그 전면유리를 이온교환에 의해 강화 처리하여 압축응력을 형성함으로써 전면유리의 중앙부 두께를 20% 이상 감소시킬 수 있게 되고, 또한 그 전면유리의 두께 감소로 인해 외부 충격에 의해 파손될 우려에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 유리표면에 보강 폴리머 필름을 부착시킴으로써 강도와 엑스선 흡수 억제기능을 동시에 구비하면서도 음극선관의 경량화를 달성할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (5)

1. 텔레비젼이나 모니터용으로 사용되는 음극선관에 있어서,

   상기 음극선관의 전면유리는 SiO₂52 ~ 56 중량%, Li₂O 0.1 ~ 0.5 중량%, Na₂O 6 ~ 8 중량%, K₂O 6 ~8 중량%, MgO 0.1 ~ 1 중량%, CaO 0.5 ~ 2 중량%, BaO 12 ~ 16 중량%, SrO 6 ~ 8 중량%, ZrO₂2 ~ 4 중량%, TiO₂0.3 ~ 0.7 중량%, CeO₂0.3 ~ 0.7 중량%, Al₂O₃2.0 ~ 3.5 중량% 및 Sb₂O₃0.3 ~ 0.7 중량%가 포함된 조성을 이루고 있어 엑스선 흡수계수가 0.6 Å에서 34 cm^-1이상이고, 그 전면유리의 표면은 이온교환되어 135 kg/cm²이상의 압축응력이 형성되어 있으며, 그 전면유리 표면에는 폴리머 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 경량 음극선관.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리머 필름은 폴리에스터, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 아크릴, 폴리에칠렌 및 우레탄 중에서 선택된 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 경량 음극선관.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 폴리머 필름은 열경화 또는 자외선경화법에 의해 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 경량 음극선관.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 폴리머 필름은 0.001 ∼ 0.5 mm 의 두께로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 경량 음극선관.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전면 유리는 그 중앙부의 두께가 종래의 것보다 20% 이상 얇은 것을 특징으로 하는 경량 음극선관.