KR100743345B1 - 필드 방출 냉음극 - Google Patents

Abstract

진공관에서 사용하기 위한 필드 방출 냉음극(11). 탄소 벨벳 물질(25)은 전극 물질에 수직으로 임베딩된 고종횡비(high aspect ratio) 탄소 섬유로 구성된다. 탄소 벨벳 물질(25)의 팁 및/또는 샤프트는 낮은 일함수를 갖는 세시에이티드염으로써 코팅된다. 탄소 벨벳 물질(25)의 전극 물질은 음극 표면(27)에 접합된다. 냉음극(11)은 900℃ 보다 낮은 온도에서 동작할 때 조차도, 전계가 인가될 때 전자를 방출한다.

Description

필드 방출 냉음극{FIELD EMISSION COLD CATHODE}

미국 정부 이해에 대한 진술

본 발명이 행해진 조건은 공군 장관(Secretary of the Air Force)에 의해 대표되는, 행정명령(Executive Order) 10096의 조항 1(a)하에서의 미합중국의 정부에게 외국 권리를 포함하여, 전체 권리, 자격 및 그것에 있는 이해를 부여하도록 한다.

본 발명은 진공관 분야에 속하며, 특히 진공관에서 전자 방출기로 행동하는 필드 방출 냉음극(field emission cold cathode)에 관련된다.

음극은 텔레비전에 사용되는 음극 광선관(ray tubes) 및 레이더와 통신에서 사용되는 다양한 마이크로파관(microwave tubes)과 같은 광범위한 종류의 진공관에서 사용되는 전자 방출기이다. 이들 모든 음극은 적절한 동작을 위해서는 고진공 하에서 유지되어야 하고, 매우 높은 온도, 즉 적어도 900℃까지 가열되어야 한다. 고진공은 봉합된 장치를 갖는 것과 같은 특별한 제조 기술의 사용 뿐만 아니라 광범위한 베이킹 아웃(baking out) 절차를 필요로 한다. 또한, 이들 유형의 음극은 만약 음극이 진공으로부터 제거된다면 오염에 영향받기 쉽다. 그리하여 고진공은 취급, 동작, 및 저장과 연관되어 상당한 제약을 야기한다.

고온 동작을 위한 요구는 다수의 중요한 설계 제한을 불러 일으킨다. 우선, 고온은 음극의 고온 동작을 견딜 수 있는 특별한 물질의 사용을 필요로 한다. 또한, 가열기는 에너지 효율을 감소시키고, 시스템 크기, 중량, 및 복잡도를 증가시킨다.

따라서, 보다 덜 엄격한 진공 요건를 가지며 낮은 온도에서 동작할 수 있고, 동시에 종래의 진공관 음극과 동일한 전자 방출 특성을 산출하는 음극에 대한 필요성이 있다.

본 발명은 종래 기술의 필드 방출 음극보다 낮은 진공 및 차가운 온도에서 동작하는 필드 방출 냉음극을 제공함으로써 종래 기술의 전술한 단점에 대처한다. 특히, 본 발명은 전극(base) 물질에 수직으로 임베딩된 고종횡비 탄소 섬유로 구성된 탄소 벨벳 물질을 포함한다. 탄소 벨벳 물질은 음극에 부착된다. 세시에이티드염(cesiated salt)은 그 섬유 위에 증착된다. 전자는 충분한 전압이 음극에 인가될 때 방출된다.

본 발명의 제 2 국면은 세시에이티드염의 용액을 형성하는 단계, 상기 용액으로써 탄소 벨벳 물질을 코팅하는 단계, 및 상기 물질을 음극에 접합하는 단계를 포함하는 필드 방출 음극 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 제 3 국면은 기화된 세시에이티드염 용액을 탄소 벨벳 물질의 섬유 위로 증착시키는 단계, 상기 섬유 위에 세시에이티드염 결정을 형성하는 단계, 및 상기 탄소 벨벳 물질을 음극에 접 합하는 단계를 포함하는 필드 방출 냉음극 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 제 4 국면은 필드 방출 냉음극을 제조하기 위해 음극에 부착된 탄소 벨벳 물질을 코팅하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 세시에이티드염과 탈이온화된 물의 용액을 상기 물질에 분무하는 단계, 1 토르(torr) 보다 작게 진공으로 된 진공 오븐에서 약 1 시간 동안 적어도 100℃의 온도에서 상기 코팅된 탄소 벨벳 물질을 베이킹하는 단계, 및 건조 질소를 이용하여 대기압까지 상기 진공 오븐을 벤팅(venting)하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제 5 국면은 탄소 벨벳 물질의 복수의 섬유의 각각 위에 1 옹스트롬 내지 10 미크론의 두께를 갖는 세시에이티드염의 막을 형성하고, 상기 탄소 벨벳 물질을 음극에 접합함으로써 필드 방출 냉음극을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 제 6 국면은 섬유를 갖는 탄소 벨벳 물질을 음극에 부착하고, 상기 섬유를 용해된 세시에이티드염 용액에 담그며, 상기 섬유가 상기 용액에 담긴 동안 상기 용액을 냉각함으로써 필드 방출 냉음극을 제조하는 것을 제공한다. 본 발명의 제 7 국면은 섬유를 갖는 탄소 벨벳 물질을 음극에 부착하고, 상기 섬유를 용해된 세시에이티드염 용액에 담그며, 상기 용액으로부터 상기 섬유를 제거하고, 상기 섬유를 냉각함으로써 필드 방출 냉음극을 제조하는 것을 제공한다.

종래의 진공관은 적절한 동작을 위해 적어도 900℃까지 가열되어야 하는 음극 요소와 고진공을 필요로 한다. 비록 용어 "냉음극"이 실온이나 그 근처에서 동작하는 음극 뿐만 아니라 900℃ 아래의 온도에서 동작하는 음극을 가리키고 있지만, 본 발명의 냉음극은 실온에서 동작하며, 그리하여 종래 기술의 가열 및 높은 동작 온도 요건을 제거한다. 그것은 또한 종래 기술의 음극보다 더 낮은 진공 레벨에서 동작한다. 본 발명의 냉음극은 클라이스트론, 진행파관, 마그네트론, 마그니콘(magnicons), 및 클라이스트로드/IOT 텔레비전 전송기를 포함하여, 임의의 유형의 진공관의 가열된 음극을 부수적인 이점을 갖고서 대체할 수 있다.

본 발명의 냉음극의 다른 국면과 이점은 첨부된 도면과 함께, 본 발명의 원리를 한 예로서 설명하면서 아래의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다.

도면은 본 발명의 필드 방출 냉음극을 시험하기 위해 사용되는 실험실 셋업의 도식도이며, 본 발명의 필드 방출 냉음극의 단면을 포함한다.

도면은 본 발명의 필드 방출 냉음극(11)을 시험하기 위해 사용되는 실험실 셋업의 도식도이며, 냉음극(11)의 단면을 도시한다. 셋업은 진공 챔버(13)와 음극 마운팅(17)을 포함한다. 샤프트(shaft)(19)는 진공 챔버(13) 속으로 내뻗으며, 냉음극(11)에 상대적으로 움츠리거나 확장될 수 있다. 양극(21)은 샤프트(19)의 끝에 설치된다. 간극(23)은 음극(11)과 양극(21)을 분리하는 거리이며, 샤프트(19)를 움츠리거나 확장함에 의해 조정될 수 있다.

냉음극(11)은 고전압 부싱(bushing)(24), 탄소 벨벳 물질(25), 음극 표면(27)으로 구성된다. 아래에서 상세히 설명될 것과 같이, 탄소 벨벳 물질(25)은 낮은 일함수를 갖는 세시에이티드염(low work function cesiated salt)으로써 취급되며, 음극 표면(27)에 접합된다. 탄소 벨벳 물질(25)은 전극 물질에 수직으로 임베딩된 고종횡비 탄소 섬유로 구성된다. 이러한 유형의 특정 물질은 에너지 사이언스 래버러토리즈사(Energy Science Laboratories, Inc. )의 전매 생산물인 Vel-Black®아플리케(applique)이다. Vel-Black®아플리케는 접착성 베이스(adhesive base)에 설치된 고종횡비 탄소 섬유로 구성되며, 그것의 광학적 특성을 위해, 즉 광학 시스템에서의 표유광(stray-light) 억제와 초저 반사율을 위한 흑색 아플리케로서 개발되었다.

탄소 벨벳 물질(25)는 유연하며, 어떠한 모양의 냉음극(11)에도 쉽게 접합될 수 있다. 도전성 에폭시는 음극 표면(27)이 금속인 음극 표면(27)에 탄소 벨벳 물질(25)을 접합하기 위해 사용될 수 있다. 또는, 열접합(pyrobonding)이 탄소 벨벳 물질(25)을 탄소 기판에 접합시키기 위해 사용될 수 있다. 냉 전자 방출은 탄소 벨벳 물질(25)의 섬유의 팁(tip)에 세시에이티드염 결정을 형성함에 의해서 뿐만 아니라 1 옹스트롬 내지 10 미크론의 두께를 갖는 막을 섬유 샤프트상에 증착함에 의해서 얻어진다.

탄소 벨벳 물질(25)의 섬유 샤프트만을 코팅하기 위해서, 세시에이티드염이 부착될 수 없는 마스크가 섬유 팁에 인가된다. 마스크는 세시에이티드염이 섬유에 인가된 후 에칭되어 제거된다.

낮은 일함수를 갖는 세시에이티드염은 다수의 상이한 방법에 의해서 탄소 벨벳 물질(25)상에 증착될 수 있다. 그 방법들 중의 두 가지는 고도로 정제된 세시에이티드염 용액과 탈이온화된 물을 세시에이티드염 증착을 위한 매질로서 이용한다. 이후 탄소 벨벳 물질(25)은 분무기를 이용하여 세시에이티드염 용액이 뿌려진 다. 2개 내지 4개 코팅이 도포된다. 이후 냉음극(11)은 1토르 보다 작게 진공으로 된 진공 오븐에 놓여지며, 탈이온화된 물을 기화시키기 위해 충분한 온도와 시간으로 베이킹하고(약 1시간 동안 100℃ 이상), 이후 등급 5 건조 질소를 이용하여 대기압까지 벤팅한다.

세슘 요오드화물(CsI), 세슘 텔루레이트(tellurate)(CsTeO₄), 및 세슘 브롬화물(CsBr)을 포함하여, 다수의 낮은 일함수를 갖는 세시에이티드염이 사용될 수 있다. 단일 사이클이 음극 성능을 개선하고 아웃-개싱(out-gassing)을 감소시키지만, 추가적인 사이클은 냉음극(11)의 동작 성능을 추가로 개선할 것이다. 그러나, 개선은 추가적인 사이클이 요구 턴-온 필드를 증가시키는 지점까지, 즉 전자가 음극(11)에서 양극(21)으로 흐르기 시작하는 전계 레벨까지만 얻어질 것이다.

또는, 탄소 벨벳 물질(25)의 섬유들은 세시에이티드염 용액에 담겨질 수 있다. 냉음극(11)과 용액기로 구성된 어셈블리는 이후 그 용액이 탄소 벨벳 물질(25)의 샤프트 및/또는 팁에서 결정화될 때까지 대기압에서 약 100℃까지 베이킹된다. 이 단계에서, 냉음극(11)은 용액기로부터 꺼내여져, 상기 팁 및/또는 샤프트로부터 남아있는 물을 기화시키기 위해 진공 오븐에서 베이킹된다. 진공 오븐은 이후 건조 질소를 이용하여 대기까지 벤팅된다.

또는, 섬유가 잠기도록, 용해된 세시에이티드염의 도가니에 냉음극(11)을 담금에 의해 세시에이티드염은 탄소 벨벳 물질(25)의 섬유에 증착될 수 있다. 이후, 용해된 세시에이티드염은 세시에이티드염이 상기 팁 및/또는 샤프트에서 결정화될 때까지, 여전히 잠기어 있는 섬유로써 냉각되도록 허용된다. 세시에이티드염은 또한 세시에이티드염 결정이 상기 팁 및/또는 샤프트에서 형성되도록 화학적 증기 증착에 의해 탄소 벨벳 물질(25)의 팁 및/또는 샤프트에 증착될 수 있다. 이들 처리의 각각은 세시에이티드염의 탈이온화된 수용액을 이용하는 것보다 더 비싸고 시간을 소비한다. 그러나, 각각은 세시에이티드염의 보다 더 균일한 코팅으로 귀결되며, 이들 중 어느 것도 과도한 수증기를 제거하기 위해 냉음극(11)을 베이킹하는 것이 필요하지 않다.

음전압이 냉음극(11)에 인가될 때, 전자는 음극 표면(27)으로부터 방출되며, 양극-음극 간극(23)을 통해 가속되고, 이후 양극(21)에 충돌한다. 턴-온 필드는 0.2 kV/cm 정도였다. 이것은 종래 진공관의 일반적인 턴-온 필드보다 훨씬 작다. 전압원은 펄싱되거나 연속적일 수 있다. 냉음극(11)은 임의의 모양, 예를 들면, 구형, 원통형, 또는 평면형을 가질 수 있다. 양극-음극 간극(23)은 임의의 교차 영역이거나 또는 방출된 전자가 이용되는 다른 영역일 수 있다. 양극(21)은 방출된 전자를 모으는 임의의 영역 또는 구조일 수 있다.

냉음극(11)의 턴-온 필드는 그것이 사용될 장치의 요건에 적합하기 위해 여러 방식으로 변경될 수 있다. 탄소 벨벳 물질(25)에 관해서, 더 길고 더 좁은 섬유 팁과 더 낮은 터프트(tuft) 밀도는 섬유 팁에서의 더 큰 필드 향상을 허용하며, 그리하여 냉음극(11)을 위한 턴-온 필드를 감소시킨다. 또한 섬유 길이의 분포, 다시 말해서 섬유가 균일하지 않은 길이를 갖는 경우 턴-온 필드를 감소시키는 경향이 있음이 발견되었다.

턴-온 필드는 또한 탈이온화된 물을 갖는 용액에서의 세시에이티드염의 농도 를 변화시킴에 의해서, 그리고 탄소 섬유의 팁과 샤프트에 도포되는 코팅의 수를 변경함에 의해서 변화될 수 있는데, 이는 즉 (어느 지점까지) 코팅의 수나 농도를 증가시키는 것은 턴-온 필드를 감소시키는 것이다. 예를 들면, 어떤 마이크로파관에서는, 전압이 최고치에 도달할 때까지는 전자를 흐르게 하지 않는 것이 바람직하다. 이는 터프트 밀도를 증가시킴에 의해서 뿐만 아니라 인가된 세시에이티드염의 양을 감소시킴에 의해서, 코팅의 수를 증가시키거나 또는 탈이온화된 물을 갖는 용액에서의 세시에이티드염의 농도를 감소시킴에 의해서 성취될 수 있다.

Claims (24)

1. 필드 방출 냉음극에 있어서,

   음극; 및

   상기 음극에 부착된 탄소 벨벳 물질을 포함하고,

   상기 탄소 벨벳 물질은 균일하지 않는 길이를 갖고 세시에이티드염(cesiated salt)을 상부에 증착시킨 섬유를 구비하는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극.
2. 제 1 항에 있어서,

   각 섬유는 샤프트(shaft)와 팁(tip)으로 구성되며, 상기 세시에이티드염은 상기 팁 또는 샤프트 어느 한쪽에 증착되거나 상기 팁과 샤프트 모두에 증착되는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 세시에이티드염의 증착은 1 옹스트롬 내지 10 미크론의 두께를 갖는 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 세시에이티드염은 낮은 일함수 세시에이티드염인 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 음극은 적어도 10^-3 토르(torr)의 진공에서 동작하는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 음극은 금속성 표면을 포함하고,

   상기 탄소 벨벳 물질은 도전성 에폭시로 상기 표면에 접합되거나, 또는

   상기 음극은 탄소 기판을 포함하고,

   상기 탄소 벨벳 물질은 상기 기판과의 열접합(pyrobonding) 수단에 의해 상기 음극에 부착되는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 세시에이티드염은 결정화되고 상기 섬유에 증착되는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 세시에이티드염은 세슘 요오드화물, 세슘 텔루레이트(tellurate), 및 세슘 브롬화물으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 탄소 벨벳 물질은 접착성 베이스에 설치된 고종횡비 탄소 섬유로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극.
11. 삭제
12. 필드 방출 냉음극을 제조하는 방법에 있어서,

    기화된 세시에이티드염 용액을 탄소 벨벳 물질의 섬유에 증착하는 단계;

    상기 섬유에 세시에이티드염 결정을 형성하는 단계; 및

    상기 탄소 벨벳 물질을 음극에 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극 제조 방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 용액은 탈이온화된 물을 포함하며,

    상기 형성단계는 상기 탈이온화된 물을 기화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극 제조 방법.
14. 필드 방출 냉음극을 제조하는 방법에 있어서,

    1 옹스트롬 내지 10 미크론의 두께를 갖는 세시에이티드염의 막을 탄소 벨벳 물질의 복수의 섬유에 형성하는 단계; 및

    상기 탄소 벨벳 물질을 음극에 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극 제조 방법.
15. 필드 방출 냉음극을 제조하는 방법에 있어서,

    섬유를 갖는 탄소 벨벳 물질을 음극에 부착하는 단계;

    용해된 세시에이티드염 용액에 상기 섬유를 담그는 단계; 및

    상기 섬유가 상기 용액에 담겨 있는 동안에 상기 용액을 냉각시키는 단계, 또는

    상기 용액으로부터 상기 섬유를 제거하는 단계; 및

    상기 섬유를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 필드 방출 냉음극 제조 방법.
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
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