KR100260691B1 - 함침형 음극 구조체, 이것에 사용되는 음극 기재, 이 음극 기재를 이용한 전자총 구조체 및 전자관 - Google Patents

함침형 음극 구조체, 이것에 사용되는 음극 기재, 이 음극 기재를 이용한 전자총 구조체 및 전자관 Download PDF

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Abstract

본 발명의 함침형 음극 구조체는 함침형 음극 기재를 사용하는 바, 이것은 대입자직경 저다공률 영역과, 대입자직경 저다공률 영역의 전자 방사면측에 마련되어, 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖고, 또한 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역을 포함하며, 그리고 전자 방사 물질이 함침된다.

Description

함침형 음극 구조체, 이것에 사용되는 음극 기재, 이 음극 기재를 이용한 전자총 구조체 및 전자관
최근, 클라이스트론 등과 같은 마이크로파 전자관은, 고출력화 경향이 있다. 특히, 핵융합이나 입자 가속기를 위한 플라즈마 장치에 사용하는 것에 대해서는, 그 출력이 메가와트급으로 되어, 점점 더 고출력화가 요구되고 있다. 또한, 주사선을 증가시켜 해상도를 개선한 컬러 수상관이나, 초고주파 대응 수상관의 개발이 요구되고 있고, 그 휘도의 향상이 요구되고 있다. 또한, 투사관 등에 있어서도 휘도의 향상이 요구되고 있다. 이들 요구에 부응하기 위해서는, 음극으로부터의 방사 전류 밀도를 종래에 비해 대폭 증대시킬 필요가 있다.
종래의 전자관, 예를 들면 컬러 수상기에 사용되는 컬러 수상관에 있어서, 양극 전압 이외에 컨버젼스 전극이나, 포커스 전극 등에 공급되는 고전압이 필요로 되는 것이 있다. 이 경우, 컬러 수상관의 스템부보다 고전압을 공급하면, 내전압(耐電壓)의 측면에서 문제가 발생하기 때문에, 컬러 수상관내에 전자총와 함께 분압용의 저항기를 전자관 내장용 저항기로서 조립하여, 이 저항기에 의해 양극 전압을 분압하여 각각의 전극에 고전압을 공급하는 방식이 채용되어 있다.
클라이스트론관은, 1939년에 연구가 시작되어, UHF대에서 밀리파(milli wave) 영역에 걸친 넓은 범위의 증폭관, 발진관으로서 개발되어 왔다. 1960년대에는 위성 통신 지구국용 클라이스트론관의 개발이 시작된 것 외에도, 1970년대에 들어서면, 클라이스트론관의 고효율 동작에 관한 연구가 진행되어, UHF-TV 방송용을 비롯하여 효율 50%를 넘는 제품이 실용화되었다. 최근에는, 효율 50∼70%로 연속파 출력 1MW, 펄스 출력 150MW의 초대전력(超大電力) 클라이스트론관이 개발되어, 초대형의 가속기나 핵융합 연구를 위한 플라즈마 가열 장치에 사용되고 있다. 클라이스트론관은 고효율로 대전력을 발생할 수 있기 때문에, 특히 대전력 분야에서 금후에도 널리 이용될 것으로 생각된다.
진행파관은, 1943년에 발명되어, 그 후 완성되었다. 진행파관은, 사용하는 지파회로(slow-wave circuit)의 종류에 의해서, 나사형, 공동 결합형(a cavity coupling type), 교차 핑거형, 사다리형 등의 여러 종류가 있다. 나선형 진행파관은, 대역이 넓어서, 마이크로파 중계 회선을 비롯하여, 항공기나 인공 위성에 탑재하는 송신관으로서 광범위하게 이용되어 왔다. 공동 결합형 진행파관은, 나선의 내전력 용량을 보충할 목적으로 개발되어, 주로 위성 통신 지구국용의 송신관으로서 실용화되었다. 진행파관의 효율은, 수 내지 20% 정도인 것이 보통이지만, 전위 저하형의 콜렉터를 채용함으로써, 위성 탑재용의 진행파관 등 효율이 50%인 것이 개발되어 있다.
또한, 자이로트론관은 주지된 바와 같이, 사이클론 메이저 작용을 동작 원리로 하는 전자관으로, 수십 내지 수백 GHz대의 대전력 밀리파를 발생하는 고주파 대전력원으로서 이용되고 있다.
그런데, 함침형 음극은, 산화물 음극에 비해 큰 방사 전류 밀도를 얻을 수 있기 때문에, 지금까지 상술한 바와 같은 음극선관, 진행파관, 클라이스트론관 및 자이로트론관 등의 전자관에 사용되어 왔다. 함침형 음극의 사용은, 컬러 수상관의 분야에서는 HD-TV관, ED-TV관 등의 특수 용도에만 한정되어 왔지만, 최근 대형 CRT 용 등의 요구가 높아져, 그 채용이 급속히 확대되고 있다.
예를 들면, 클라이스트론관 및 컬러 수상관 등에 이용되는 함침형 음극 구조체로서는, 그 음극 기재는, 예를 들면 다공률 15∼20%의 다공질의 텅스텐(W)으로 이루어지고, 이 음극 기재의 구멍부에, 예를 들면 산화바륨(BaO), 산화칼슘(CaO) 및 산화알루미늄(Al2O3) 등의 전자 방사 물질이 함침되어 있다. 또한, 이 음극 기재의 전자 방사면상에, 스퍼터링법(sputtering method) 등의 박막 형성 수단에 의해 이리듐(Ir) 박막층이 더 마련된 이리듐 코트의 함침형 음극 구조체가 사용되고 있다.
이 음극 구조체로서는, 전자관내에 탑재된 후의 에이징 공정(aging step)에 의해, 음극 구조체내에 함침되어 있는, 예를 들면 바륨(Ba) 혹은 산소(O2) 등을 확산시킴으로써, 음극 구조체 표면의 전자 방사면상에 전기 2중층이 형성되어, 고방사 전류가 가능해진다.
에징 공정에 있어서의 에이징 시간은, 대상으로 하는 전자관 사용시의 인가 전압에 의해 여러가지로 설정되지만, 저전압 동작으로 사용되는 전자관, 예를 들면 1OkV 정도의 인가 전압으로 사용되는 전자관에 있어서는, 50시간 정도로, 전기 2중층이 형성될 수 있다.
이것에 대하여, 대전류가 필요로 되고, 고전압 동작에서 사용되는 전자관, 예를 들면 70kV의 인가 전압으로 사용되는 초대전력 클라이스트론관의 경우에서는, 출력하는 전류가, 예를 들면 그 펄스폭이 5㎲이고, 1초간의 반복이 500인 경우에는, 수십시간의 비교적 단시간의 에이징으로 전류 밀도가 충분한 전류가 출력할 수 있지만, 출력하는 전류가 직류의 경우, 동일한 전류 밀도의 전류를 출력하기 위해서는, 500시간 이상의 에이징이 필요하게 된다.
초대전력 클라이스트론관 등의 고전압 동작으로 사용되는 전자관의 경우에는, 에이징에 의한 전기 2중층의 형성과 함께, 콜렉터로부터 방사된 대량의 가스가 방사 전자와의 충돌을 위해 이온화된다. 또한, 이 이온이 고전압에 의해 전자 방사면에 충돌하여, 전기 2중층을 파괴한다. 여기서, 이온화된 가스는, 고에너지를 갖고 있고, 전자 방사면에 충돌하는 가스의 양이 증가할수록, 전자 방사면의 전기 2중층은 파괴될 수 있다. 이 때문에, 고전압 동작으로 사용되는 전자관으로서는, 장시간의 에이징이 필요하게 된다.
또한, 음극선관용 함침형 음극 구조체는, 전력 절약의 목적으로 소형화된 구조로 형성되어 있다. 그 때문에, 음극선관용 함침형 음극 구조체는, 필연적으로 그 두께 및 직경의 크기가 제한되고, 전자 방사 물질을 충분한 양으로 함침하는 것이 곤란하다. 일반적으로, 함침형 음극의 수명 특성은, 전자 방사 물질의 주요 성분인 바륨의 증발량에 의해 지배되고 있다. 증발에 의해 바륨이 소모하면, 음극 기재의 단원자 피복 밀도가 감소하고, 일 함수가 증가함에 따라 전자 방사 능력이 감소하고, 그 결과 요구되는 긴 수명 특성를 얻을 수 없다. 이것은 실용상 큰 문제이다. 이들의 관점에서 저온 동작 가능한 함침형 음극 구조체가 요망되고 있다.
이러한 음극선관용 음극 구조체로서, 최근 스칸듐계(또는 Sc계) 함침형 음극 구조체가 주목받고 있다.
상기 스칸듐계 함침형 음극 구조체는, 메탈 코트의 함침형 음극 구조체에 비해 저듀티(low duty)의 펄스 방사 특성이 훨씬 우수하고, 저온 동작이 가능할 것으로 기대되고 있다.
그러나, 이 저온 동작이 가능한 스칸듐계 함침형 음극 구조체에 있어서도, 그 음극은, 고주파수 조건하에서 이온 충격을 받으면, 소실된 Sc의 회복이 늦고, 저온 동작성이 저하한다고 하는 결점이 있어, 실용성에 불충분한 점이 많았다.
예를 들면, 음극 기재 표면에 스칸듐 화합물을 피착하는 유형에서는, 음극제조 공정중에 표면의 변질이 발생한다. 또한, 장시간 작동시키면, 스칸듐이 소모되어, 전자 방사 특성의 열화를 초래한다. 또한, 이온 충격으로 인해 기재 표면이 국부적으로 파괴되고, 그 부분의 일 함수가 높게 되어, 전자 방사 분포가 불균일하게 된다.
스칸듐계 함침형 음극의 오우저(Auger)에 의한 표면 해석의 결과, 스칸듐계 함침형 음극은, 이온 충격을 받으면 표면의 스칸듐이 소실하여, 전자 방사이 양호한 농도로 회복할 때까지 시간을 요하는 것이 판명되었다.
종래의 음극 기재로서는, 구체적으로는 이하와 같은 것을 들 수 있다.
예를 들면, 일본 특허 공개 제 81-52835 호 및 일본 특허 공개 제 83-133739 호에는, 다공질 기재상에, 이 다공질 기재보다도 다공률이 낮은, 예를 들면 17 내지 30%의 다공률을 갖는 피복층을 마련한 음극 기재가 개시되어 있다. 그러나, 이러한 음극 기재로서는, 피복층의 다공률이 낮기 때문에, 전자 방사 물질의 증발이 낮게 억제되어, 음극의 수명을 연장시키는 것이 가능하다. 그러나, 고전류 밀도로 동작하는 전자관과 같이, 이온 충격이 강한 동작 조건하에서는, 음극 기재 표면의 구조의 회복이 늦어, 양호한 결과를 얻을 수 없다. 또한, 일본 특허 공개 제 83-177484 호에는, 스칸듐을 함유하는 음극 기재가 개시되어 있지만, 이온 충격후의 스칸듐의 회복이 충분하지 않다. 이 때문에, 저온 동작성이 불충분하다. 일본 특허 공개 제 84-79934 호에는, 고융점 금속층상에, 고융점 금속과 스칸듐을 함유하는 층을 형성한 음극 기재가 개시되어 있지만, 이온 충격후의 스칸듐의 회복이 충분치 않아, 저온 동작성이 불충분하다.
일본 특허 공개 제 84-203343 호에는, 텅스텐으로 이루어지는 다공질 기재상에 0.1 내지 2㎛의 미세한 텅스텐, 스칸듐 산화물 및 전자 방사 물질을 포함하는 균일층이 형성된 음극 기재가 개시되어 있다. 그러나, 이 음극 기재는, 스칸듐을 포함하고 있기 때문에, 저온 동작은 가능하다. 그러나, 여기서도, 이온 충격이 강한 동작 조건하에서 이용되면, 음극 기재 표면의 구조의 회복이 늦어, 양호한 결과를 얻을 수 없다. 일본 특허 공개 제 86-91821 호에는, 다공질 기재상에, 텅스텐과 스칸듐 산화물로 이루어지는 피복층을 마련한 음극 기재가 개시되어 있다. 이 음극 기재는, 스칸듐을 포함하고 있기 때문에, 저온 동작은 가능하다. 그러나, 여기서도, 이온 충격이 강한 동작 조건하에서 이용되면, 음극 기재 표면의 구조의 회복이 늦어, 양호한 결과를 얻을 수 없다. 일본 특허 공개 제 89-21843 호에는, 예를 들면 20 내지 150㎛의 큰 평균 분말 입도를 갖는 제 1 성형체상에 그 제 1 성형체보다도 작은 평균 분말 입도를 갖는 머리부가 마련된 음극 구조체가 개시되어 있다. 그러나, 이러한 음극 구조체는, 전자 방사 물질의 증발이 낮게 억제되어, 음극 수명을 연장시키는 것은 가능하지만, 이온 충격이 강한 동작 조건하에서 이용되면, 음극 기재 표면의 구조 회복이 늦어, 양호한 결과를 얻을 수 없다.
또한, 일본 특허 공개 제 89-161638 호에는, 고융점 금속으로 이루어지는 다공질 기재상에 스칸듐 화합물 또는 스칸듐 합금층을 마련한 음극 기재가 개시되어 있다. 일본 특허 공개 제 91-105827 호 및 일본 특허 공개 제 91-25824 호에는, 다공질 기재상에, 텅스텐 및 스칸듐 산화물 혼합층과, 스칸듐 공급원, 예를 들면 Sc와, Re, Ni, Os, Ru, Pt, W, Ta, Mo와의 조합을 포함하는 층과의 적층체, 혹은 그들의 혼합물로 이루어지는 층을 형성한 음극 기재가 개시되어 있다. 또한, 일본 특허 공개 제 91-173034 호에는, 고융점 금속 다공질 기재의 상층에 바륨 및 스칸듐을 포함하는 층을 갖는 음극 기재가 개시되어 있다. 일본 특허 공개 제 93-266786 호에는, 고융점 금속 다공질 기재상에, 예를 들면 텅스텐층, 스칸듐층, 레늄층 등의 고융점 금속을 포함하는 적층체가 형성된 음극 기재가 개시되어 있다. 그러나, 이들의 음극 기재로서는, 이온 충격후의 스칸듐의 회복이 충분하지 않고, 저온 동작성이 불충분하여, 충분한 내이온 충격성을 얻을 수 없다.
발명의 개시
이상과 같이, 종래의 함침형 음극 구조체에 있어서는, 고전압, 고주파수하에서 충분한 내이온 충격성을 얻을 수 없었다. 이 때문에, 이온 충격에 의한 함침형 음극 구조체의 전자 방사 특성의 열화를 충분히 방지할 수 없어, 이것을 이용한 전자관의 고출력화 및 수상관의 휘도의 향상의 방해 요소로 되어 있었다.
또한, 저온 동작이 가능한 스칸듐계 함침형 음극 구조체에 있어서도, 그 음극은, 고주파수 조건하에서 이온 충격을 받으면, 소실한 Sc의 회복이 늦어 저온 동작성이 저하한다고 하는 결점이 있어서, 실용적으로 불충분한 점이 많았다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 제 1 목적은, 고전압, 고주파수 조건하에서도 충분한 내이온 충격성을 갖고, 양호한 전자 방사 특성을 갖는, 고성능, 긴 수명의 개량된 함침형 음극 기재를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 2 목적은, 개량된 함침형 음극 기재를 이용하여, 우수한 함침형 음극 구조체를 얻는 것에 있다.
본 발명의 제 3 목적은, 개량된 함침형 음극 기재를 이용하여, 우수한 전자총 구조체를 얻는 것에 있다.
본 발명의 제 4 목적은, 개량된 함침형 음극 기재를 이용하여, 우수한 전자관을 얻는 것에 있다.
본 발명의 제 5 목적은, 본 발명에 관한 함침형 음극 기재가 바람직한 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
제 1 실시예에 있어서, 본 발명은, 대입자직경 저다공률 영역과, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 전자 방사면측에 제공되고, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖으며, 또한 상기 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역을 포함하고, 전자 방사 물질이 함침되어 이루어지는 함침형 음극 기재를 제공한다.
제 2 실시예에 있어서, 본 발명은, 제 1 실시예에 따른 함침형 음극 기재를 제조하기 위한 방법으로서,
대입자직경 저다공률로 이루어지는 다공질 소결체를 형성하는 공정과,
상기 다공질 소결체의 전자 방사면측에, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖고, 또한 상기 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역을 형성하여, 다공질 음극부재를 얻는 공정과,
상기 다공질 부재를 절단함으로써, 다공질 음극 기재를 형성하는 공정 및 상기 다공질 음극 기재에 전자 방사 물질을 함침하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극의 제조 방법을 제공한다.
제 실시예에 있어서, 본 발명은, 제 1 실시예에 따른 함침형 음극 기재를 제조하기 위한 방법으로서,
대입자직경 저다공률로 이루어지는 다공질 소결체를 형성하는 공정과,
상기 다공질 소결체의 전자 방사면측에, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖고, 또한 상기 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역을 형성하여, 다공질 음극부재를 얻는 공정과,
상기 다공질 음극부재의 전자 방사면상에, 1200℃ 이하의 융점을 갖는 금속 및 합성 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 충전재를 배치하는 공정,
상기 충전재가 배치된 다공질 음극부재를, 상기 충전재가 용융할 수 있는 온도로 가열하여, 상기 다공질 음극부재내에 상기 충전재를 함침시키는 공정,
상기 다공질 음극부재를 소정의 크기로 절단 또는 펀칭하여, 다공질 음극 기재를 형성하는 공정과,
상기 다공질 음극 기재를 텀블링 처리에 제공하여, 버(burr) 및 오염물을 제거하는 공정과,
상기 텀블링 처리된 다공질 음극 기재로부터 상기 충전재를 제거하는 공정과, 충전재를 제거한 상기 다공질 음극 기재에, 전자 방사 물질을 함침하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극 기재의 제조 방법을 제공한다.
제 4 실시예에 있어서, 본 발명은, 제 1 실시예에 따른 함침형 음극 기재를 제조하기 위한 방법으로서,
대입자직경 저다공률 영역으로 되는 고융점 금속 다공질 소결체를 형성하는 공정과,
상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖는 고융점 금속 분말과, 1200℃ 이하의 융점을 갖는 금속 및 합성 수지 군으로 이루어지는 충전재로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 페이스트를 준비하는 공정과,
상기 페이스트를, 상기 대입자직경 저다공률 영역으로 되는 고융점 금속 다공질 소결체의 전자 방사면측에 도포하는 공정과,
상기 페이스트가 도포된 대입자직경 저다공률 영역의 고융점 금속 다공질 소결체를, 상기 충전재가 용융할 수 있는 온도로 가열하여, 상기 고융점 금속 다공질 소결체상에, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖고, 또한 상기 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역을 형성하여, 다공질 음극부재를 얻는 공정과,
상기 다공질 음극 기재를 텀블링 처리에 제공하여, 버(burr) 및 오염물을 제거하는 공정과,
상기 텀블링 처리된 다공질 음극 기재로부터 상기 충전재를 제거하는 공정과, 충전재를 제거한 상기 다공질 음극 기재에, 전자 방사 물질을 함침하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극 기재의 제조 방법을 제공한다.
제 5 실시예에 있어서, 본 발명은, 제 1 실시예에 따른 함침형 음극 기재를 갖는 것을 특징으로 하는 함침형 음극 구조체를 제공한다.
제 6 실시예에 있어서, 본 발명은, 제 1 실시예에 따른 함침형 음극 기재를 갖는 함침형 음극 구조체를 마련한 전자총을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자총 구조체를 제공한다.
제 7 실시예에 있어서, 본 발명은, 제 1 실시예에 따른 함침형 음극 기재를 갖는 함침형 음극 구조체를 마련한 전자총을 이용한 전자총 구조체를 구비하는 전자관을 제공한다.
본 발명에 관한 함침형 음극 구조체는, 개량된 음극 기재를 사용함으로써, 고전압, 고주파수 조건하에서도 충분한 내이온 충격성을 나타내어, 양호한 전자 방사 특성을 갖는다.
또한, 함침형 음극의 전자 방사면상에 특정한 물질층을 마련함으로써, 그 저온 동작성이 더욱 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 제조 방법을 이용함으로써, 표면 및 구멍부의 상태가 양호한 함침형 음극를 얻을 수 있기 때문에, 충분한 내이온 충격성을 나타내어, 양호한 전자 방사 특성을 갖는 함침형 음극 구조체를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 함침형 음극 구조체를 이용함으로써, 고전압, 고주파수 조건하에서도 양호한 동작이 가능한 우수한 전자총 구조체 및 전자관를 얻을 수 있다.
본 발명은, 컬러 수상관, 클라이스트론관(klystron tube), 진행파관(travelling tube) 및 자이로트론관(gyrotron tube) 등의 전자관에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 음극선관용 전자총 구조체의 일례를 설명하기 위한 개략 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 클라이스트론용 전자총 구조체의 일례의 주요부를 설명하기 위한 개략 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 음극선관용 전자관의 일례를 설명하기 위한 개략 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 클라이스트론용 전자관의 일례의 주요부를 설명하기 위한 개략 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 진행파관용 전자관의 일례를 설명하기 위한 개략 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 자이로트론용 전자관의 일례를 설명하기 위한 개략 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 함침형 음극 구조체의 제 1 예를 나타내는 일부 절결 개략도,
도 8은 도 7의 함침형 음극의 구조를 나타내는 개략도,
도 9는 도 7의 함침형 음극 구조체의 전자 방사 특성을 나타내는 그래프도,
도 10은 제 2 예에 이용되는 음극 구조체의 구조를 나타내는 개략도,
도 11은 제 3 예에 이용되는 음극 구조체의 구조를 나타내는 개략도,
도 12는 제 5 예에 따른 방사 전자 특성을 나타내는 그래프도,
도 13은 제 6 예에 이용되는 음극 구조체의 구조를 나타내는 개략도,
도 14는 제 6 예에 따른 방사 전자 특성을 나타내는 그래프도,
도 15는 본 발명에 사용되는 음극 기재의 제조 공정을 설명하기 위한 도면,
도 16은 본 발명에 사용되는 음극 기재의 제조 공정을 설명하기 위한 도면,
도 17은 본 발명에 사용되는 음극 기재의 제조 공정을 설명하기 위한 도면,
도 18은 본 발명에 사용되는 음극 기재의 제조 공정을 설명하기 위한 도면,
도 19는 본 발명에 사용되는 음극 기재의 제조 공정을 설명하기 위한 도면,
도 20은 본 발명에 사용되는 음극 기재의 제조 공정을 설명하기 위한 도면,
도 21은 본 발명에 사용되는 음극 기재의 제조 공정을 설명하기 위한 도면,
도 22는 제 7 예에 따른 음극 기재의 구조를 나타내는 개략도,
도 23은 제 7 예에 따른 음극 기재의 구조를 나타내는 개략도,
도 24는 본 발명에 사용되는 음극 구조체의 다른 제조 공정을 설명하기 위한 도면,
도 25는 본 발명에 사용되는 음극 구조체의 다른 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
본 발명자들은, 고전압, 고주파수하에서 충분한 내이온 충격성을 얻기 위하여, 함침형 음극 구조체의 전자 방사면에서의 전기 2중층의 형성 속도를, 전기 2중층이 이온 충격에 의해 파괴 또는 비산되는 속도보다 빠르게 하는 것을 시도하였다.
다공질 음극 기재에 함침되는 전자 방사 물질은, 기재 금속 입자의 표면에 따라, 기재 금속 내부에서 전자 방사면으로 확산해 가서, 전자 방사면에서 전기 2중층을 형성한다.
전자 방사 물질이 전자 방사면까지 확산하여, 전기 2중층을 형성하기까지의 시간을 단축하기 위해서는, 확산 거리를 단축하는 것을 고려할 수 있다. 확산 거리를 단축하는 방법으로서, 기재 금속의 입자 직경을 작게 하는 것이 효과적이다. 기재 금속을 형성하고 있는, 예를 들면 W 입자 직경은, 일반적으로 3 내지 5㎛의 평균 입자 직경을 갖는다. 이 W 입자를 소결하여, 그 입자 사이에 0.3㎛ 정도의 구멍부가 다수 형성된다. 전자 방사 물질은, 이 구멍부에 확산하여, 이들을 통해 방사면에 도달하여 전기 2중층을 형성한다. 전기 2중층이 이온 충격에 의해 파괴된 경우에는, 새로운 전자 방사 물질이 이 구멍부로부터 확산되어 방사면 전체에 공급되지 않으면 안된다. 이 경우, 전자 방사 물질이 지나는 구멍부 사이의 거리가 짧으면, 확산이 촉진되어, 이온 충격으로 전기 2중층이 파괴되더라도, 즉시 새로운 전자 방사 물질이 보충되고, 충분한 전자 방사 특성를 얻을 수 있어, 방사이 회복된다.
본 발명은 전술한 이론에 근거하여 이루어진 것으로, 그 제 1 실시예은, 대입자직경 저다공률 영역과, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 전자 방사면측에 마련되어, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖고, 또한 상기 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역을 포함하며, 전자 방사 물질이 함침되어 이루어지는 함침형 음극 기재를 제공한다.
더욱 상세하게 설명하면, 이 제 1 실시예의 함침형 음극 기재는, 제 1 평균 입자 직경을 갖는 소결된 입자에 의해 구성되고, 또한 제 1 다공률을 갖는 제 1 영역과, 그 전자 방사면의 적어도 일부에 마련된, 제 1 평균 입자 직경보다도 작은 제 2 평균 입자 직경 및 상기 제 1 다공률보다도 큰 제 2 다공률을 갖는 제 2 영역으로 실질적으로 구성되는 적어도 2층의 구조를 포함한다. 또, 여기서는, 이 제 1 영역을 대입자직경 저다공률 영역, 제 2 영역을 소입자직경 고다공률 영역이라고 칭한다.
본 발명에 이용되는 다공질의 음극 기재는, 고융점 금속, 예를 들면 W, 몰리브덴(Mo) 및 레늄(Re) 등의 고융점 금속 분말을 소결하여 얻어지는 소결체를 포함하는 것이다.
평균 입자 직경이란, 이 얻어진 소결체를 구성하는 입자의 평균 입자 직경을 말한다.
전자 방사 물질은, 다공질 음극 구조체 전체에 함침되어 있어도 좋고, 혹은 그 일부를 제외하는 영역, 예를 들면 전자 방사면 근방을 제외한 영역에 함침되어 있어도 좋다.
제 1 실시예의 제 1 바람직한 형태에 따으면, 대입자직경 저다공률 영역은, 바람직하게는, 그 평균 입자 직경이 2 내지 10㎛이고, 또한 그 다공률은 15 내지 25%이다.
더욱 상세히 말하면, 이 제 1 실시예의 제 1 바람직한 형태에 관한 함침형 음극 기재는, 2 내지 10㎛의 평균 입자 직경을 갖는 소결된 입자에 의해 구성되고, 또한 15 내지 25%의 다공률을 갖는 대입자직경 저다공률 영역과, 그 전자 방사면의 적어도 일부에 마련되어, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경 및 상기 대입자직경 저다공률 영역 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역으로 실질적으로 구성되는 적어도 2층의 구조를 포함한다.
또한, 제 1 실시예의 제 2 바람직한 형태에 따르면, 소입자직경 고다공률 영역은, 바람직하게는, 그 평균 입자 직경이 O.1㎛ 이상 2㎛ 미만이고, 또한 그 다공률이 25 내지 40%이다.
더욱 상세히 말하면, 이 제 1 실시예의 제 2 바람직한 형태에 관한 함침형 음극 기재는, 대입자직경 저다공률 영역과, 그 전자 방사면의 적어도 일부에 마련되며, 그 소결체를 구성하는 입자의 평균 입자 직경이 0.1㎛ 이상 2㎛ 미만이고, 또한 그 다공률이 25 내지 40%인 소입자직경 고다공률 영역으로 실질적으로 구성되는 적어도 2층의 구조를 포함한다.
본 발명의 제 1 실시예의 바람직한 제 3 형태에 따르면, 소입자직경 고다공률 영역은, 바람직하게는, 그 두께가 30㎛ 이하이다.
더욱 상세히 말하면, 바람직한 제 3 형태에 관한 함침형 음극 기재는, 대입자직경 저다공률 영역과, 그 전자 방사면의 적어도 일부에 마련되며, 그 두께가 30㎛ 이하인 소입자직경 고다공률 영역으로 실질적으로 구성되는 적어도 2층의 구조를 포함한다.
본 발명의 제 1 실시예의 바람직한 제 4 형태에 따르면, 소입자직경 고다공률 영역은, 바람직하게는, 대입자직경 저다공률 영역의 전자 방사면측에, 선형상 또는 점형상으로 존재하고 있다.
더욱 상세히 말하면, 제 1 실시예의 바람직한 제 4 형태에 관한 함침형 음극 기재는, 대입자직경 저다공률 영역과, 그 전자 방사면측에, 선형상 또는 점형상으로 존재하는 소입자직경 고다공률 영역으로 실질적으로 구성되는 구조를 포함한다.
본 발명의 제 1 실시예의 바람직한 제 5 형태에 따르면, 대입자직경 저다공률 영역에서부터 상기 소입자직경 고다공률 영역에 걸쳐, 그 평균 입자 직경 및 다공률은, 바람직하게는, 단계적으로 변화한다.
더욱 상세히 말하면, 제 1 실시예의 바람직한 제 5 형태에 관한 함침형 음극 기재는, 그 평균 입자 직경이, 그 두께 방향에 있어서, 전자 방사면측에 접근할수록 감소하고, 또한 그 다공률이 그 전자 방사면측에 접근할수록 증가하도록 단계적으로 변화하는 구성을 실질적으로 갖는다.
제 1 실시예의 바람직한 제 6 형태에 따르면, 바람직하게는, 그 전자 방사면상에, 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 로듐(Rh) 및 스칸듐(Sc) 으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하는 층이 더 형성된다.
더욱 상세히 말하면, 제 1 실시예의 바람직한 제 6 형태에 관한 함침형 음극 기재는, 대입자직경 저다공률 영역과, 그 전자 방사면측에 마련된 소입자직경 고다공률 영역과, 이 소입자직경 고다공률 영역의 전자 방사면측에 마련된 이리듐, 오스뮴, 레늄, 루테늄, 로듐 및 스칸듐으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하는 층으로 실질적으로 구성되는 적어도 3층의 적층 구조를 포함한다.
제 1 실시예에 있어서, 전자 방사 물질은, 다공질 음극 기재 전체에 함침되어 있어도 좋고, 그 일부를 제외한 영역, 예를 들면 전자 방사면 근방을 제외한 영역에 함침되어 있어도 좋으며, 혹은 대입자직경 저다공률 영역에만 함침되어 있어도 좋다.
제 2 실시예는, 제 1 실시예에 따른 함침형 음극 기재를 제조하기 위한 바람직한 방법 중 하나로서,
(1) 대입자직경 저다공률로 되는 다공질 소결체를 형성하는 공정,
(2) 상기 다공질 소결체의 전자 방사면측에, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖고, 또한 상기 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역을 형성하여, 다공질 음극부재를 얻는 공정,
(3) 상기 다공질부재를 절단 또는 펀칭 가공함으로써, 다공질 음극 기재를 형성하는 공정 및
(4) 상기 다공질 음극 기재에 전자 방사 물질을 함침하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극 기재의 제조 방법이 제공된다.
소입자직경 고다공률 영역은, 바람직하게는, 인쇄법, 스핀 코팅법, 스프레이법, 전착법(電着法) 및 용사법(溶射法) 중에서 선택되는 방법을 이용하여 형성된다.
제 3 실시예는, 제 2 실시예에 따른 방법의 개량예 중 하나로서,
(1) 대입자직경 저다공률의 다공질 소결체를 형성하는 공정,
(2) 다공질 소결체의 전자 방사면측에, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖고, 또한 상기 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역을 형성하여, 다공질 음극부재를 얻는 공정,
(3) 다공질 음극부재의 전자 방사면측에, 1200℃ 이하의 융점을 갖는 금속 및 합성 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 충전재를 배치하는 공정,
(4) 충전재를 갖는 형성체를, 충전재가 용융할 수 있는 온도로 가열 처리하여, 상기 충전재만을 용융하는 공정,
(5) 다공질 소결체를 소정의 크기로 절단 또는 펀칭 가공하여, 다공질 음극 기재를 형성하는 공정,
다공질 음극 기재를 텀블링 처리에 제공하여, 버 및 오염물을 제거하는 공정,
(6) 텀블링 처리된 다공질 음극 기재로부터 충전재를 제거하는 공정 및
(7) 충전재가 제거된 다공질 음극 기재에, 전자 방사 물질을 함침하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극 기재의 제조 방법이 제공된다.
또한, 여기서, 다공질 음극부재란, 소정 형상의 다공질 음극 기재로 절단 또는 펀칭 가공하기 전의 다공질 음극 기재인 것을 말한다.
제 4 실시예에 따르면, 제 2 실시예에 따른 방법의 개량예의 다른 하나로서,
(1) 대입자직경 저다공률 영역으로 되는 고융점 금속 다공질 소결체를 형성하는 공정,
(2) 상기 다공질 소결체의 전자 방사면측에, 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다 작은 평균 입자 직경을 갖는 고융점 금속 분말과, 1200℃ 이하의 융점을 갖는 금속 및 합성 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 충전재를 함유하는 페이스트를 도포하고, 상기 충전재가 용융할 수 있는 온도에서 소성하여, 소입자직경 고다공률 영역으로 되는 다공질 소결체를 형성함과 동시에, 상기 다공질 소결체내에 상기 충전재를 용융시켜, 다공질 음극부재를 형성하는 공정,
(3) 다공질 소결체를, 소정의 크기로 절단 또는 펀칭 가공하여, 다공질 음극 기재를 형성하는 공정,
(4) 다공질 음극 기재를 텀블링 처리에 제공하여, 버 및 오염물을 제거하는 공정,
(5) 텀블링 처리된 다공질 음극 기재로부터 충전재를 제거하는 공정 및
(6) 다공질 음극 기재에, 전자 방사 물질을 함침하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 함침형 음극 기재의 제조 방법이 제공된다.
또한, 이렇게하여 얻어진 다공질 음극 기재를 이용하여 함침형 음극 구조체를 형성하는 것이 가능하다. 또한, 이 함침형 음극 구조체를 이용하여 전자관을 형성하는 것도 가능하다.
제 5 실시예는, 제 1 실시예에 따른 다공질 음극 기재를 이용한, 예를 들면 음극선관용 다공질 음극 구조체, 클라이스트론용 다공질 음극 구조체, 진행파관용 다공질 음극 구조체 및 자이로트론용 다공질 음극 구조체 등에 사용되는 다공질 음극 구조체를 제공한다.
더욱 상세히 말하면, 이 제 5 실시예의 함침형 음극 구조체는, 전자 방사 물질이 함침된, 고융점 금속 분말의 소결체로 이루어지는 다공질 음극 기재, 상기 다공질 음극 기재를 지지하는 지지부재 및 상기 지지부재내에 마련된 히터를 구비하는 다공질 음극 구조체로서, 상기 다공질 음극 기재는, 제 1 평균 입자 직경을 갖는 소결된 입자에 의해 구성되고, 또한 제 1 다공률을 갖는 대입자직경 저다공률 영역과, 그 전자 방사면의 적어도 일부에 마련된, 제 1 평균 입자 직경보다도 작은 제 2 평균 입자 직경 및 상기 제 1 다공률보다도 큰 제 2 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역으로 실질적으로 구성된다.
제 5 실시예의 바람직한 제 1 형태에 관한 함침형 음극 구조체는, 전자 방사 물질이 함침된, 고융점 금속 분말의 소결체로 이루어지는 다공질 음극 기재, 상기 다공질 음극 기재를 지지하는 지지부재 및 상기 지지부재내에 마련된 히터를 구비하는 음극 구조체로서, 상기 다공질 음극 기재는, 2 내지 10㎛의 평균 입자 직경을 갖는 소결된 입자에 의해 구성되고, 또한 15 내지 25%의 다공률을 갖는 대입자직경 저다공률 영역과, 그 전자 방사면의 적어도 일부에 마련되는, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경 및 상기 대입자직경 저다공률 영역 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역으로 실질적으로 구성되는 적어도 2층의 구조를 갖는다.
제 5 실시예의 바람직한 제 2 형태에 관한 함침형 음극 구조체는, 전자 방사 물질이 함침된, 고융점 금속 다공질 소결체로 이루어지는 음극 기재, 이 음극 기재를 지지하는 지지부재 및 이 지지부재내에 마련된 히터를 구비하는 다공질 음극 구조체에 있어서, 이 다공질 음극 기재는, 대입자직경 저다공률 영역과, 그 전자 방사면의 적어도 일부에 마련되어, 그 소결체를 구성하는 입자의 평균 입자 직경이 0.1㎛ 이상 2.0㎛ 미만이고, 또한 그 다공률이 25 내지 40%인 소입자직경 고다공률 영역으로 실질적으로 이루어지는 적어도 2층의 구조를 포함한다.
제 5 실시예의 바람직한 제 3 형태에 관한 함침형 음극 구조체는, 대입자직경 저다공률 영역과, 그 전자 방사면의 적어도 일부에 마련되어, 그 두께가 30㎛ 이하인 소입자직경 고다공률 영역으로 실질적으로 구성되는 적어도 2층의 구조를 포함하는 다공질 음극 기재와, 이 음극 기재를 지지하는 지지부재 및 이 지지부재내에 마련된 히터를 구비한다.
제 5 실시예의 바람직한 제 4 형태에 관한 함침형 음극 구조체는, 대입자직경 저다공률 영역과, 그 전자 방사면측에, 선형상 또는 점형상으로 존재하는 소입자직경 고다공률 영역으로 실질적으로 구성되는 적어도 2층의 구조를 포함하는 다공질 음극 기재와, 이 다공질 음극 기재를 지지하는 지지부재 및 이 지지부재내에 마련된 히터를 구비한다.
제 5 실시예의 바람직한 제 5 형태에 관한 함침형 음극 구조체는, 그 평균 입자 직경이, 그 두께 방향에 있어서, 전자 방사면측에 접근할수록 감소하고, 또한 그 다공률이 그 전자 방사면측에 접근할수록 증가하여 단계적으로 변화하는 구성을 실질적으로 갖는 다공질 음극 기재와, 이 다공질 음극 기재를 지지하는 지지부재 및 이 지지부재내에 마련된 히터를 구비한다.
제 5 실시예의 바람직한 제 6 형태에 관한 함침형 음극 구조체는, 대입자직경 저다공률 영역과, 그 전자 방사면측에 마련된 소입자직경 고다공률 영역과, 이 소입자직경 고다공률 영역의 전자 방사면측에 마련된 이리듐, 오스뮴, 레늄, 루테늄, 로듐 및 스칸듐으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하는 층으로 실질적으로 구성되는 적어도 3층의 적층 구조를 포함하는 다공질 음극 기재와, 이 다공질 음극 기재를 지지하는 지지부재 및 이 지지부재내에 마련된 히터를 구비한다.
제 5 실시예에 따른 음극 구조체가 음극선관용인 경우, 예를 들면 통형상의 음극 슬리브와, 상기 음극 슬리브의 일단부 내면에 고정된 함침형 음극 기재 고정 부재와, 상기 함침형 음극 기재 고정 부재에 고정된 제 1 실시예에 따른 함침형 음극 기재와, 상기 음극 슬리브를 포위하도록, 그 외측에 동축적으로 배치된 통형상 홀더와, 일단부가 상기 음극 슬리브의 외측에 고정되고, 타단부가 상기 통형상 홀더의 내측에 고정된 복수의 스트랩(strap)과, 상기 음극 슬리브의 내측에 배치된 히터를 갖는다.
또한, 제 5 실시예에 따른 음극 구조체가 클라이스트론용인 경우, 예를 들면 제 1 실시예에 따른 함침형 음극 기재와, 상기 함침형 음극 기재를 지지하는 지지통과, 상기 지지통에 내장되고, 또한 절연물에 매립되어 구성되는 히터를 갖는다.
제 6 실시예는, 제 1 실시예에 따른 다공질 음극 기재를 이용하여, 예를 들면 음극선관용 전자총 구조체, 클라이스트론용 전자총 구조체, 진행파관용 전자총 구조체 및 자이로트론용 전자총 구조체 등의 전자총 구조체를 제공하는 것이다.
제 6 실시예에 따른 전자총 구조체가 음극선관용 전자총 구조체인 경우에는, 예를 들면 제 5 실시예에 따른 함침형 음극 구조체와, 상기 함침형 음극 구조체의 전자 방사면측에 동축적으로 배치된 복수의 그리드 전극과, 상기 복수의 그리드 전극의 전면에, 동축적으로 배치된 컨버젼스 전극을 갖는 전자총과, 상기 전자총에 접속되는 분압용의 저항기를 갖는다.
도 1은, 제 6 실시예에 따른 음극선관용 전자총 구조체의 일례로서, 전자관 내장 저항기가 내장된 컬러 수상관을 나타내는 개략 단면도를 도시한다.
도 1에 있어서, 도면번호(61)은 진공 용기이고, 이 진공 용기(61)에 형성된 네크부(61a)의 내부에는, 전자총 구조체(A)가 배치되어 있다. 이 전자총 구조체(A)에는, 3개의 음극에 대하여, 공통적으로 제 1 그리드 전극(G1), 제 2 그리드(G2), 제 3 그리드(G3), 제 4 그리드(G4), 제 5 그리드(G5), 제 6 그리드(G6), 제 7 그리드(G7) 및 제 8 그리드(G8)가 순차적으로 동축상에 배치되어 있다. 그리드 전극(G8)의 후단에는, 컨버젼스 전극(62)이 배치되어 있다.
각 그리드 전극(G1, G2, G3, G4, G5, G6, G7 및 G8)은, 서로 소정 위치 관계를 유지하고, 비드 유리(3)에 의해, 기계적으로 유지되어 있다. 또한, 제 3 그리드 전극(G3)과 제 5 그리드 전극(G5)과는, 도선(64)에 의해 전기적으로 접속되어 있고, 또한, 컨버젼스 전극(62)은 제 8 그리드 전극(G8)과 용접에 의해 접속되어 있다.
이러한 전자총 구조체(A)에는, 전자관 내장용 저항기(65)가 부착되어 있다. 이 저항기(65)는, 절연 기판(65A)를 구비하고 있다. 이 절연 기판(65A)에는, 소정 패턴의 저항체층(도시하지 않음) 및 이 저항체층에 접속되어 있는 전극층이 형성되어 있다. 이 저항기(65)의 절연 기판(65A)에는, 전극층에 접속되는 고압의 전극 취득용의 단자(66a, 66b, 66c)가 마련되고, 이들 각 단자(66a, 66b, 66c)는 제 7 그리드 전극(G7), 제 6 그리드 전극(G6), 제 5 그리드 전극(G5)에 접속되어 있다. 또한, 저항기(65)의 절연 기판(65A)에 마련되어 전극층에 접속되는 단자(67)는, 컨버젼스 전극(62)과 접속되고, 또한 절연 기판(65A)에 마련되어 전극층에 접속된 어스측의 취득 단자(68)는 어스 전극핀(69)에 접속되어 있다.
한편, 진공 용기(61)에 형성된 깔때기부(61b)의 내벽에는, 상기 네크부(61a)의 내벽까지 신장하는 그라파이트 도전막(70)이 피착되어 있고, 깔때기부(61b)에 마련된 고전압 공급 버튼(도시하지 않은 양극 버튼)을 통하여 양극 전압이 공급된다.
그리고, 컨버젼스 전극(62)에는, 도전 스프링(79)이 마련되어 있고, 도전 스프링(79)이 그라파이트 도전막(70)과 접촉함으로써, 컨버젼스 전극(62)에 제 8 그리드 전극(G8) 및 전자관 내장용 저항기(65)의 컨버젼스 단자(67)에 양극 전압이 공급되어, 고압의 단자(66a, 66b, 66c)에 발생하는 분압 전압이 제 7 그리드 전극(G7), 제 6 그리드 전극(G6) 및 제 5 그리드 전극(G5)에 공급된다.
제 6 실시예에 따른 전자총 구조체가 클라이스트론용 전자총 구조체인 경우에는, 제 5 실시예에 따른 함침형 음극 구조체와, 상기 함침형 음극 구조체를 내장하는 음극부와, 상기 함침형 음극 구조체의 전자 방사면에 동축적으로 배치된 양극부를 갖는다.
도 2에, 제 6 실시예에 따른 클라이스트론용 전자총 구조체의 일례의 주요부를 설명하기 위한 개략 단면도를 나타낸다.
도 2에 도시하는 바와 같이 클라이스트론용 전자총 구조체의 일례의 주요부에서는, 음극 구조체(81)를 배치한다. 음극부(181)와, 절연부(93)는, 거의 축방향에 따라 테이퍼형상으로 감합하는 박판 금속링으로 이루어지는 용접플랜지(180, 181) 선단의 아아크 용접 봉지부(184)에 의해 밀봉되어 있다. 또한, 절연부(93)와 양극부(95)는, 마찬가지로 거의 축방향에 따라 테이퍼형상으로 감합하는 박육 금속링으로 이루어지는 용접플랜지(182, 183)의 선단 아아크 용접 봉지부(185)에 의해 기밀하게 밀봉되어 있다. 또, 양극부(95)에 대하여 전극 간격을 설정하면서 조립하기 위해서, 최후에 감합시켜, 양자의 용접 봉지부(98)에 의해 기밀 밀봉함으로써 전자총 구조체를 조립하고 있다.
일반적으로, 클라이스트론관의 동작에 치명적이게 될 지도 모르는 전자총 구조체 불량 중의 하나로, 전극 간격의 설계 치수의 어긋남을 들 수 있다. 이 어긋남은, 주로 부품 정밀도 및 조립 정밀도에 기인하고 있다. 그래서, 전극 간격은 다음과 같이 조정된다. 즉, 축방향의 어긋남은, 음극부의 스템판(84)과 스템 단판(86)과의 사이에 적당한 도체 스페이서를 삽입하여, 나사(85)로써 고정한다. 또는, 백업용 세라믹링(92)과 용접플랜지(180 또는 183)과의 사이에 스페이서를 삽입한다. 또한, 반경 방향의 어긋남은, 음극부(83)를 회전대 지그로 웨널트(82)와 용접플랜지(180)와의 축조정을 한 후, 나사(85)로 고정한다. 또한, 절연부(93)에 대해서는 용접플랜지(181, 182)의 동축도를 얻을 수 있도록 적당한 조립 지그를 이용하여 납땜한다.
또한, 제 7 실시예는, 제 1 실시예에 따른 함침형 음극 기재를 사용한, 예를 들면 음극선관용 전자관, 클라이스트론용 전자관, 진행파관용 전자관 및 자이로트론용 전자관 등의 전자관을 제공하는 것이다.
제 7 실시예에 따른 전자관은, 음극선관용인 경우에는, 예를 들면 전면부를 갖는 진공외부덮개(a vacuum outer envelope)와, 상기 전면부 내면에 마련된 형광체층과, 상기 진공외부덮개의 전면부에 대향하는 위치에 배치된 제 6 실시예에 따른 전자총 구조체와, 상기 형광체층과 상기 전자총 구조체 사이에 배치된 셰도우 마스크를 갖는다.
도 3은 본 발명에 관한 음극선관용 전자관의 일례를 설명하기 위한 개략 단면도를 도시한다.
도 3에 도시하는 바와 같이 이 음극선관용 전자관은, 직사각형 형상의 패널(31)과 깔때기부(32)와 네크부(33)로 이루어지는 위부덮개를 갖고 있다. 패널(31)의 내면에는 적색, 녹색, 청색으로 각각 발광하는 형광체층(34)이 스트라이프 형상으로 마련되어 있고, 네크부(33)에는, 도 1에 도시하는 바와 같은 전자총 구조체가 패널(31)의 수평축에 따라 일렬로 배열된 적색, 녹색, 청색에 대응하는 전자빔(35)을 주사하는 인 라인(in-line)형 전자총(36)이 내설되어 있다. 또한, 형광체(34)에 근접 대항한 위치에는, 다수의 미세한 개구를 갖는 셰도우 마스크(7)가 마스크 프레임(38)에 지지 고정되어 있다. 편향 장치(38)에 의해 전자빔(35)을 편향 주사하여 화상을 재현하고 있다.
제 7 실시예에 따른 전자관은, 클라이스트론용인 경우에는, 예를 들면 제 6 실시예에 따른 전자총 구조체와, 상기 전자총 구조체의 전자 방사면측에 동축적으로 배치된 복수의 공진(共振) 공동(空洞)이 드리프트 사이에서 연결된 고주파 작용부 및 콜렉터부와, 상기 고주파 작용부의 외주부에 배치된 자계 발생 장치를 갖는다.
도 4는, 본 발명에 따른 클라이스트론용 전자관 일례의 주요부를 설명하기 위한 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이 이 클라이스트론용 전자관의 주요부에 있어서, 도면번호(191)는 전자총부이고, 도면번호(192)는 음극 구조체이다. 도 2에 도시한 바와 같은 구성을 갖는 전자총부(191)에는 복수의 공진 공동(193)이 드리프트관(194)으로 연결된 고주파 작용부(195)와 콜렉터부(196)가 순차적으로 연결되어 있다. 또는, 고주파 작용부(195)의 외측에는 자계 발생 장치, 예를 들면 전자석 코일(197)이 배치되어 있다. 또, 도면번호(198)는 전자빔이다. 또한, 출력 도파관부는 도시를 생략한다.
제 7 실시예에 따른 전자관은, 진행파관용인 경우에는, 예를 들면 본 발명의 함침형 음극 구조체를 이용한 전자총 구조체와, 상기 함침형 음극 구조체의 전자 방사면측에 동축적으로 배치된 신호를 증폭하는 지파회로와, 전자빔을 포착하는 콜렉터부를 갖는다.
도 5는 본 발명에 따른 진행파관용 전자관의 일례를 설명하기 위한 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 5에 도시하는 바와 같이 이 진행파관은, 본 발명의 함침형 음극 기재를 이용한 전자총(171)과, 신호를 증폭하는 지파회로(고주파 작용부)(172)와, 전자빔을 포착하는 콜렉터(173)를 구비하고 있다. 그리고, 지파회로(172)는, 파이프 형상 진공외부덮개(174)내에 나선형 코일(175)이 3개의 유전체 지지봉(176)에 지지 고정되어 되고, 이 지파회로(172)의 양단에는, 각각 입력(177)과 출력접전(178)이 돌출되어 있다.
제 7 실시예에 따른 전자관은, 자이로트론용인 경우에는, 예를 들면 본 발명의 함침형 음극 구조체를 이용한 전자총 구조체와, 상기 함침형 음극 구조체의 전자 방사면측에 배치된 직경이 점차 작아지는 테이퍼형의 전자빔 압축부와, 상기 테이퍼형의 전자빔 압축부에 연속적으로 배치된 공동 공진부와, 상기 공동 공진부에 연속적으로 배치된 직경이 점차 커지는 테이퍼형상 전자파 안내부와, 전자빔을 보충하는 콜렉터부와, 공동 공진부의 외주부에 배치된 자장 발생 장치를 갖는다.
도 6은 본 발명에 따른 자이로트론용 전자관의 일례를 설명하기 위한 개략 단면도를 도시하고 있다.
도 6에 있어서, 도면번호(230)는 자이로트론관 본체, 도면번호(231)는 본 발명의 함침형 음극 구조체를 이용하여 조립되고, 그 중공 전자빔을 발생하는 전자총부, 도면번호(232)는, 그 전자빔 하류에 배치되어, 점차 직경이 작아지는 테이퍼형상 전자빔 압축부, 도면번호(233)은 그 하류에 연속적으로 마련되어, 점차 직경이 커지는 테이퍼 전자파 안내부, 도면번호(235)는 그 다음에 배치되어, 상호 작용을 실행한 후의 전자빔을 포착하는 콜렉터부, 도면번호(236)은 그 하류에 배치된 세라믹 기밀창을 갖는 출력창, 도면번호(237)은 도파관 결합 플랜지, 도면번호(239)는 자장 발생 장치의 솔레노이드를 나타내고 있다.
다음에, 제 1 실시예에 대하여 설명을 부가한다.
제 1 실시예에 있어서는, 그 함침형 음극 구조체의 적어도 전자 방사면측에서, 소입자직경, 고다공률의 다공질 영역 및 대입자직경 저다공률의 다공질 영역이 순차적으로 설치된다.
대입자직경 저다공률 영역에서는, 가열시에, 함침된 전자 방사 물질의 공급을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 대입자직경 저다공률 영역상에, 소입자직경 고다공률 영역을 마련함으로써, 전자 방사면측의 소입자직경 고다공률 영역에서는, 음극 기재를 구성하는 입자간의 거리가 짧기 때문에, 전자 방사 물질의 확산 거리가 단축되어 있다. 이 때문에, 전자 방사 물질에 의한 전자 방사면의 피복이 보다 빠르고, 보다 균일하게 실행되어, 전자 방사 물질이 충분한 공급, 전자 방사면이 충분한 피복율을 달성할 수 있다. 피복율이 향상되면, 보다 우수한 내이온 충격성를 얻을 수 있다. 또한, 이렇게 하여, 고전압 조작의 함침형 음극 구조체의 에이징 시간을 단축할 수 있다. 또한, 가령 확산 속도가 느린 전자 방사 물질을 포함하는 경우라도, 이온 충격에 의한 함침형 음극 구조체의 전자방사 특성의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 이용되는 다공률이란, 일정 부피의 물체(고체) 중에 존재하는 공간의 비율로, 다음 수학식 1로 나타낼 수 있다.
P1 - W/Vd
단, 수학식 중 W(weight)는 피측정물의 중량(g), V(volume)는 피측정물의 부피(㎤), d는 피측정물의 밀도(텅스텐의 경우라면 19.3g/㎤), P는 다공률(%)을 나타낸다. 그러나, 본 발명이 요구하고 있는 소입자직경 대다공률 영역은 층으로 되어 있는 것이 바람직하고, 또한, 이 층은 30㎛ 이하의 두께로 되어 있는 것이 바람직하다. 이 때문에, 상기 수학식의 W(weight), V(volume)를 실제로 측정하는 것은 실시가 불가능하여, 다공률을 산출하는 것은 불가능하다. 그래서, 현실적으로 다공률을 제어하기 위하여, 이하의 방법에 의해 다공률의 측정을 실행한다.
우선, 함침후의 음극 기재이면, 구멍내의 전자 방사 물질을 모두 제거한 후, 이들 구멍내에 착색 수지를 용융 함침한다. 그 후, 음극 표면에 수직 단면을 산출하기 위해 금속 연마기 등으로 연마를 실행한다. 음극 기재의 치수가 큰 경우에는, 미리 절단하여 거친 단면을 산출해 놓아도 좋다. 평평한 단면를 얻을 수 있으면, 이 단면의 단면상을 광학 현미경 혹은 전자 현미경으로 촬영한다. 이 단면상을 화상 처리 장치, 예를 들면 케엔스(KEYENCE)사 제조 CV-100에 의해 화상 처리를 실행하여, 본 단면 중 고융점 금속이 나타나 있는 부분의 면적 Sbase와 착색 수지가 나타나 있는 부분의 면적을 구한다. 그렇게 하면, P=Spore/(Spore+Sbase)×100(%)을 다공률로 하여 이용할 수 있다. 이 때, 영역 Spore와 음극 기재 외부 영역과의 경계는, 음극 기재의 최외주에 존재하는 고융점 금속입자의 가장 음극 기재 외부에 돌출한 점끼리 연결한 선분으로 한다. 면적 Sbase와 면적 Spore의 산출은 음극 기재 전면에 걸쳐 실행하는 것이 바람직하지만, 그와 같은 처리를 실행하는 것은 현실적으로는 어렵다. 그래서, 음극 기재의 단면 중 임의의 점을 적어도 5점 골라, 그 근방 1000㎛2이상의 영역에 대하여 면적 Sbase와 면적 Spore를 구해, 그 평균으로부터 계산된 P를 다공률로서 이용할 수 있다.
또, 제 1 실시예의 바람직한 제 1 형태에 있어서는, 대입자직경 저다공률 영역의 입자 직경이 2㎛ 미만이면, 제조시의 소결 진행과 함께, 폐쇄된 기공의 존재를 무시할 수 없게 되어, 다공률은 확보할 수 있더라도, 전자 방사 물질의 함침은 의미가 없어지게 되는 경향이 있고, 또한 10㎛를 넘으면, 의도하는 다공률을 얻을 수 없게 되어, 소입자직경 고다공률 영역에의 전자 방사 물질의 공급이 불충분함과 동시에, 소망하는 다공률을 얻기 위해서는, 소결 온도도 극히 높게 되는 경향이 있어, 공업적인 제조가 곤란해지는 경향이 있다. 대입자직경 저다공률 영역의 보다 바람직한 평균 입자 직경은, 2 내지 7㎛이고, 또한 바람직한 평균 입자 직경은 2 내지 5㎛이다. 또한, 그 다공률이 15% 미만이면, 소입자직경 고다공률 영역에의 전자 방사 물질의 공급이 불충분해지는 경향이 있고, 25%를 넘으면, 필요한 강도를 얻을 수 없게 됨과 동시에 전자 방사 물질의 소모가 증가하여 수명이 줄어드는 경향이 있다. 대입자직경 저다공률 영역의 보다 바람직한 다공률은, 15 내지 22%이고, 또한 바람직한 다공률은 17 내지 21%이다.
제 1 실시예의 바람직한 제 2 형태에 있어서, 소입자직경 고다공률 영역의 평균 입자 직경이 O.1㎛ 미만이면, 그 입자 직경이 너무 작기 때문에, 음극 기재에 크랙이 생기기 쉬워 강도가 저하되는 경향이 있다. 또한, 원료로 되는 고융점 금속의 분말의 입자 직경이 너무 작으면, 소결시에 용이하게 2차 입자, 3차 입자 등을 형성하고, 소결을 진행하기 쉽게 되어, 소망하는 입자 직경을 얻을 수 없게 되는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 밀도가 높게 되어, 의도하는 다공률을 얻을 수 없게 되는 경향이 있다.
또한, 입자 직경이 2㎛ 이상이면, 전자 방사 물질의 확산 거리가 커지기 때문에, 전자 방사면으로 전자 방사 물질을 충분히 공급하기 위해 시간이 걸리게 된다. 또한, 확산 거리가 커지면, 전자 방사면에 있어서의 균일한 확산도 얻기 어렵게 된다. 이러한 것으로부터, 입자 직경이 2.0㎛ 이상이면, 전자 방사면의 전자 방사 물질에 의한 피복율이 저하하는 경향이 있음을 알 수 있다. 상술한 바와 같이, 피복율이 저하하면, 충분한 내이온 충격성를 얻을 수 없게 된다.
다공질 음극 기재의 소입자직경 고다공률 영역의 보다 바람직한 평균 입자 직경은 0.8 내지 1.5㎛이다.
또한, 다공질 음극 기재의 소입자직경 고다공률 영역의 평균 입자 직경이 0.1㎛ 이상 2.0㎛ 미만의 범위이고, 다공률이 25% 미만이면, 전자 방사 물질이 전자 방사면에 충분히 공급되지 않게 되어, 전자 방사면의 전자 방사 물질에 의한 피복율이 저하하는 경향이 있다. 피복율이 저하하면, 충분한 내이온 충격성를 얻을 수 없게 된다.
또한, 음극 기재의 평균 입자 직경이 0.1㎛ 이상 2㎛ 미만의 범위이고, 다공률이 40%를 넘을 만큼 크면, 음극 기재의 기계적 강도가 저하하는 경향이 있다. 소입자직경 고다공률 영역의 보다 바람직한 다공률은, 25 내지 35%이다.
또한, 제 1 실시예의 바람직한 제 3 형태에 나타난 바와 같이 적어도 2층 이상의 적층 구조를 갖는 함침형 음극 기재의 경우, 대입자직경 저다공률 영역층의 전자 방사면측에 마련되는 소입자직경 고다공률 영역층의 층두께는, 30㎛ 이하가 바람직하다. 이 층두께는, 보다 바람직하게는 3 내지 30㎛, 더욱 바람직하게는, 3 내지 20㎛이다.
제 2 실시예에 나타난 바와 같이 적어도 2층의 구조를 갖는 함침형 음극 구조체는, 예를 들면 아래와 같이 하여 제조된다.
우선, 일반적인 방법에 의해, 평균 입자 직경 2 내지 10㎛이고, 또한 다공률 15 내지 25%의 대입자직경 저다공률 영역으로 되는 다공질 소결체를 형성한다.
다음에, 이 다공질 소결체의 전자 방사면상에, 평균 입자 직경이 대입자직경 저다공률 영역으로 되는 다공질 소결체의 평균 입자 직경보다도 작은 W 분말로 이루어지는 고융점 금속 분말을 유기용제와 함께 페이스트 형상으로 만들어, 예를 들면 스크린 인쇄법에 의해 의도하는 막두께가 되도록 도포한다. 그 후, 건조하여, 진공중 혹은 수소(H2) 등의 환원 분위기중, 1700 내지 2200℃의 범위에서 소결을 실행한다. 이렇게 하여 소입자직경 고다공률 영역을 대입자직경 저다공률 영역상에 형성한다. 이 경우, 페이스트의 농도, 인쇄 조건, 소결시의 시간 등은 소결체를 구성하는 입자의 의도하는 평균 입자 직경 및 다공률을 얻을 수 있도록 적절히 설정된다.
또한, 제 1 실시예에 따른 음극 기재의 별도 구조로서는, 바람직한 제 4 형태에 나타내는 바와 같이 대입자직경 저다공률 영역으로 이루어지는 매트릭스의 적어도 전자 방사면측에 복수의 소입자직경 고다공률 영역이 점재하는 구조를 들 수 있다. 예로서, 대입자직경 저다공률 영역의 전자 방사면상에 홈형상 혹은 구멍형상으로 오목부가 존재하고, 그 오목부에 소입자직경 고다공률 영역이 존재하는 구조를 들 수 있다. 이러한 구조의 음극 구조체를 형성하기 위해서는, 예를 들면 대입자직경 저다공률 영역으로 되는 다공질 소결체의 전자 방사면측에 기계 가공 등에 의해, 홈 혹은 구멍형상의 오목부를 형성하고, 그 오목부에 페이스트를 충전시키고, 소결을 실행하여 소입자직경 고다공률 영역을 형성할 수 있다.
또한, 음극 기재의 구조의 다른 변형으로서는, 제 1 실시예의 제 5 바람직한 형태에 나타내는 바와 같이 그 두께 방향에 있어서, 전자 방사면에 접근함에 따라 점차 그 다공률이 증가하고, 또한 그 입자직경이 작아지는 구성을 갖는 구조를 들 수 있다.
이 소입자직경 고다공률 영역의 형성은, 상기 인쇄법에 한정되는 것이 아니라 스핀 코팅법, 스프레이법, 전착법 혹은 용사법 등 다공질층을 얻을 수 있는 방법이면, 어떠한 것이어도 좋다. 또한, 이 중 용사법을 채용한 경우에는, 소결 공정을 생략할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 음극 구조체의 음극 기재에는, 그 후 일반적인 방법과 마찬가지로 하여, 예를 들면 BaO:CaO:Al2O3몰비가 4:1:1인 혼합물로 이루어지는 전자 방사 물질을 H2등의 환원 분위기중에서 용융 함침한다.
또한, 제 1 실시예의 바람직한 제 6 형태에 대하여 설명을 부가한다.
제 1 실시예의 바람직한 제 6 형태에 사용되는 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 로듐(Rh) 및 스칸듐(Sc)으로 이루어지는 군 중에서 선택되는 적어도 1종의 원소는, 단일체나, 그 원소를 함유하는 물질이나, 또는 다른 원소 혹은 다른 원소를 함유하는 물질과의 조합으로 하여 사용할 수 있다.
이 조합은, 각각으로 존재하는 경우와, 예를 들면 합금, 화합물 등의 형태로 존재하는 경우를 포함한다.
이 바람직한 제 6 형태에 의하면, 이들의 원소를 포함하는 층을 형성함으로써, 음극 구조체의 전자 방사면의 전기 2중층이 이온 충격에 의해 파괴되더라도, 전자 방사 특성이 곧 회복되어, 방사이 가능해지고, 또한 충분한 저온 동작이 가능해진다. 또한, 저온 동작이 가능해짐으로써, 전자 방사 물질, 예를 들면 바륨 등의 증발량을 저감할 수 있기 때문에, 음극 구조체의 두께를 종래보다 얇게 설정하는 것이 가능해진다.
단독으로 바람직하게 이용되는 원소는, 이리듐, 스칸듐이다.
바람직하게 이용되는 원소를 함유하는 물질은, 산화스칸듐(Sc2O3), 수소화스칸듐(ScH2) 등이다.
바람직하게 이용되는 조합은, Ir-W, Os-Ru, Sc2O3-W, Sc-W, ScH2-W, Sc-Re 등의 합금이다.
이 0s는 작용적으로는 단일체로 사용이 가능하지만, 그 산화물이 독성을 갖기 때문에, 작업자의 안전성을 고려하면, 단일체로 이용하는 것보다는 산화하기 어려운 합금의 형태로 이용하는 것이 바람직하다.
또한, Sc은, 하프늄(Hf), 레늄(Re) 및 루테늄(Ru) 등의 고융점 금속으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속과 조합하여 이용할 수 있다. 이들의 고융점 금속은, 음극 구조체의 동작시에, Sc를 산소로부터 분리하는 분리제로서 제공된다.
또한, 제 1 실시예에 있어서는, 필요에 따라서 다공질 음극 기재 표면의 여분의 전자 방사 물질을 제거한 후, 사용되는 원소 성분의 층을, 예를 들면 스퍼터링법 등의 박막 형성 수단에 의해 형성할 수 있다.
제 3 실시예 및 제 4 실시예에 대하여 설명을 더 부가한다.
제 3 실시예 및 제 4 실시예는, 다공질 음극 구조체의 제조 방법에 있어서, 그 다공질체로부터 소정 형상의 음극 기재를 절단하는 공정을 개량한 것이다. 절단된 음극 기재에는, 버가 발생한다. 이 때문에, 음극 기재를 텀블링 처리에 제공함으로써, 버를 제거해야 한다. 텀블링 처리는, 통상, 절단된 음극 기재를, 알루미나와 실리카로 이루어지는 소구체(small ball)와 함께 용기내에서 섞여, 소구체와 음극 기재를 마찰시킴으로써 실행된다. 이 때, 음극 기재의 전자 방사면측도 마찬가지로 마찰되어, 다공질체의 구멍부가 막힐 수 있다. 이 구멍부는, 전자 방사 물질의 공급로이기 때문에, 구멍부가 막히면 전자 방사 물질의 함침이 방해된다고 하는 문제가 발생한다. 또한, 다공질체 표면의 외관상 표면적이 증대하여, 표면에 있어서의 전자 방사 물질의 확산 거리가 증대한다고 하는 문제가 발생한다. 특히, 소입자직경 고다공률 영역을 갖는 음극 기재로서는, 이러한 문제에 의해, 전자 물질의 확산 거리의 단축 및 공급로의 증대가 손상되어, 내이온 충격 특성의 개선 효과를 얻을 수 없다.
또한, 음극 기재 표면의 박리가 발생하면, 전자 방사 물질의 방사이 발생하여, 전자 방사면의 변질이 발생한다. 전자 방사면의 변질은, 방사 전류 밀도의 열화 등의 악영향을 미친다.
제 3 실시예에 따르면, 음극 기재를 절단 가공하기 전의 다공질체의 전자 방사면상에, 1200℃ 이하의 융점을 갖는 금속 및 합성 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 충전재를 적용하여, 충전재가 용융할 수 있는 온도로 가열 처리하여, 충전재를 상기 다공질용 형성체내에 용융함으로써, 전자 방사면상의 구멍부로부터 다공질체 안으로 충전재가 용융된다. 이에 따라, 구멍내의 보호 및 다공질체의 강화가 이루어져, 텀블링시에 전자 방사면이 마찰을 받더라도 구멍부가 막히지 않도록 할 수 있다.
또한, 제 4 실시예에 의하면, 고융점 금속과, 1200℃ 이하의 융점을 갖는 금속 및 합성 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 충전재를 함유하는 페이스트를, 충전재가 용융할 수 있는 온도로 소성하여, 고융점 금속을 주성분으로 하는 다공질체를 형성함과 동시에, 다공질체의 구멍내에 상기 충전재가 용융된다. 이에 따라, 구멍내의 보호 및 다공질체의 강화가 이루어져, 텀블링시에 전자 방사면이 마찰을 받더라도 구멍부가 막히지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 음극 기재의 응용예로서, 예를 들면 음극 기재의 전자 방사면 영역에, 고융점 금속 미분말과, 산화스칸듐과의 혼합물층을 더 형성할 수 있다. 이에 따라, 음극 구조체의 전자 방사면의 전기 2중층이 이온 충격에 의해 파괴되더라도, 전자 방사 특성이 곧 회복되어, 방사이 가능해지고, 또한 충분한 저온 동작이 가능해진다. 또한, 저온 동작이 가능해짐으로써, 전자 방사 물질, 예를 들면 바륨 등의 증발량을 저감할 수 있기 때문에, 음극 구조체의 두께를 종래보다 얇게 설정하는 것이 가능해진다. 이것은 또한, 전자 방사 물질의 함침량 부족에 의해 불충분하게 되어 있던 종래의 전력 절약형 함침형 음극의 수명 특성을 대폭 개선할 수 있음을 의미한다.
더 바람직하게는, 고융점 금속 미분말로서 텅스텐과 몰리브덴의 합금 또는 그 혼합물을 이용할 수 있다. 이에 따라, 낮은 소결 온도에서도 충분히 단단한 소결층을 얻을 수 있다. 합성 수지로서는, 바람직하게는, 메타크릴산메틸을 사용할 수 있다.
얻어지는 미세한 소결층은, 바람직하게는 0.8 내지 1.5㎛의 평균 입자 직경을 갖고, 바람직하게는 20 내지 40%, 더욱 바람직하게는 25 내지 35%의 다공률을 갖는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
실시예 1
도 7은, 본 발명에 관한 함침형 음극 구조체의 제 1 예를 사용한 전자관의 예를 나타내는 일부 절결 개략도를 도시한다. 이 음극 구조체는, 클라이스트론용 함침형 음극 구조체이고, 고출력, 고전압하에서 사용되는 것이다.
도시하는 바와 같이, 이 전자관은, 다공질 W로 이루어지는 기재 금속(3)과, 이 다공질 음극 기재(3)를 지지하도록 납땜된 Mo 등으로 이루어지는 지지통(11)과, 지지통(11)에 내장된 히터(18)로 주로 구성되며, 이 히터(18)는 Al2O3등으로 이루어지는 매립재(14)로 매설하여 소결함으로써 고정되어 있다. 이 다공질 음극 기재(3)의 구멍부에는, 예를 들면 BaO:CaO:Al2O3몰비가 4:1:1인 전자 방사 물질이 함침되어 있다. 다공질 음극 기재(3)의 전자 방사면측에는, 스퍼터링에 의해 Ir의 박막층이 마련되고, 합금화 처리에 의해, Ir와 W의 합금화층(도시하지 않음)이 형성된다. 또한, 이 음극 구조체는, 수렴을 위해 전자 방사면에, 예를 들면 반직경 53㎜의 곡율을 갖는다.
이 음극 구조체의 다공질 음극 기재(3)의 구조를 나타내는 개략도를 도 8에 도시한다. 다공질 음극 기재(3)는, 도 8에 도시하는 바와 같이 대입자직경 저다공률층(22)과 그 위에 형성된 소입자직경 고다공률층(23)으로 구성되는 2층 구조를 갖는다. 이러한 구성을 갖는 다공질 음극 기재(3)는, 이하에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 스프레이법에 의해 형성할 수 있다.
우선, 대입자직경 저다공률층으로서, 예를 들면 평균 입자 직경 약 3㎛의 W 입자로 이루어지는 다공률 약 17%의 다공질 W 기재를 마련한다. 이 기재는, 예를 들면 직경 70㎜이고, 전자 방사면의 곡율 반경은 53㎜이다.
이 다공질 W 기재에 마스크 지그를 장착한 상태에서, 기재의 전자 방사면에 W 입자와, 초산부틸과 메탄올의 혼합물을 스프레이건을 이용하여 수직으로 분사한다.
분사 거리를 10cm, 공기 압력을 1.2kgf/㎠, 분사 유량을 0.35cc/s, 분사 시간을 5초로 하여, 곡율을 가진 전자 방사면에 균일하게 두께 20㎛의 박막층을 형성한다.
그 후, 박막층의 소결 및 박막층과 기재 금속의 접착을 위해, 환원 분위기중에서 1700 내지 2200℃, 예를 들면 수소 분위기중에서 2000℃의 온도로, 1시간의 열처리를 실행한다.
이렇게 하여 얻어진 소입자직경 고다공률 W 박막층은, 외관상 크랙이 없고, 또한 충분한 강도를 가지며, 평균 입자 직경 0.8㎛, 다공률 30%로 약 10㎛의 균일한 두께를 갖고 있었다.
다음에, 이 다공질 기재(3)의 구멍부에 BaO:CaO:Al2O3몰비가 4:1:1인 혼합물로 이루어지는 전자 방사성 물질을 H2분위기중에서, 1700℃, 약 10분간 가열함으로써 용융 함침시켰다.
이렇게 하여 얻어진 2층 구조를 갖는 음극 구조체를 클라이스트론 전자관내에 부착하여, 음극 온도 1000℃b(℃b는 휘도 온도)의 조건으로 에이징을 실행하였다.
도 9에, 에이징을 100시간 실행한 후의 전자 방사 특성을 나타내는 그래프도를 도시한다. 이 전자 방사 특성은, 음극 온도가 1100℃b일 때의 방사 전류를 100%로 했을 때의 비율로 표시된 방사 전류와 음극 온도와의 관계로 나타낸다. 도면중 실선(31, 32)은, 각각 종래의 함침형 음극 구조체와, 실시예 1의 함침형 음극 구조체와의 특성을 나타내는 그래프이다. 이 그래프로부터 명백한 바와 같이, 저온부에서는, 실선(32)으로 나타나는 실시예 1의 함침형 음극 구조체가 우위인 것을 확인할 수 있다. 고온부에서는, 확산 속도가 빠르기 때문에 특성상 우위는 인정되지 않지만, 저온부에서는 확산 속도가 느리기 때문에, 본 발명에 관한 함침형 음극 구조체쪽이 현저히 우위로 된다. 또한, 이 그래프로부터, 본 발명의 함침형 음극 구조체를 이용하면, 에이징 시간을 단축 가능하는 것은 명백하다.
실시예 2
도 10에, 본 발명에 관한 다른 전자관에 이용되는 함침형 음극 구조체의 제 2 예를 나타내는 개략도를 나타낸다. 이 음극 구조체는, 음극선관용 음극 구조체이고, 그 음극 기재는, 실시예 1의 클라이스트론용의 음극 기재와는 달리 거의 곡율을 갖지 않는다.
도시하는 바와 같이, 함침형 음극 구조체를 이용한 전자관은, 예를 들면 음극 슬리브(1)와, 이 음극 슬리브(1)의 일단부의 내측에, 그 일단부 개구 돌기와 거의 동일면을 이루도록 고정된 컵형상 고정 부재(2)와, 이 컵형상 고정 부재(2)내에 고정되어 있고, 전자 방사 물질이 함침된 다공질 음극 기재(3)와, 음극 슬리브(1)를 둘러싸듯이 그 내측에 동축적으로 배치된 통형상 홀더(4)와, 일단부가 음극 슬리브(1)의 타단부 외측면에 부착되고, 타단부가 통형상 홀더(4)의 일단부에 형성된 내측 돌출부에 부착되며, 음극 슬리브(1)를 통형상 홀더(4)의 내측에 동축적으로 지지하는 복수개의 스트립 모양의 스트랩(5)과, 통형상 홀더(4)의 일단부에 형성된 내측 돌출부에 지지편(6)에 의해 부착되어 음극 슬리브(1)와 복수개의 스트랩(5)과의 사이에 배치된 차폐통(7)으로 구성되고, 음극 슬리브(1)의 내측에 삽입된 히터(8)에 의해 가열되는 구조로 되어 있다.
상기 다공질 음극 기재(3)의 재질은 W이다. 이 기재의 구멍부에는, 예를 들면 BaO:CaO:Al2O3몰비가 4:1:1의 혼합물과 Sc2O31중량%로 이루어지는 전자 방사 물질이 함침되어 있다.
또, 이 음극 구조체는, 예를 들면 통형상 홀더(4)의 외표면에 부착된 스트랩(9)을 거쳐서 음극 구조체상에 순차적으로 소정 간격 떨어져 배치되는 복수개의 전극(도면에는 제 1 그리드의 G1만을 도시함)과 함께, 절연 지지체(10)에 고정된다.
다공질 음극 기재(3)는 도 8과 마찬가지의 구성을 가지며, 이하에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 스크린 인쇄법에 의해 형성할 수 있다.
우선, W 입자와, 바인더제로서 에틸셀룰로오스, 수지 및 계면 활성제의 혼합물과 용제를 혼합하여 도포액을 얻는다.
대입자직경 저다공률층으로서, 예를 들면 입자 직경 약 3㎛의 W 입자로 이루어지는 다공률 약 17%의 다공질 텅스텐 기재를 마련한다. 이 기재는, 예를 들면 직경 1.1㎜이고, 0.32㎜의 두께를 갖는다.
이 기재상에, 스테인레스 메쉬 스크린을 이용해 상기 도포액을 스크린 인쇄하여, 소입자직경 고다공률의 텅스텐 박막층을 형성한다.
그 후, 박막층의 소결 및 박막층과 대입자직경 저다공률층과의 접착 및 소결을 위해, H2분위기중에서, 2000℃의 온도로 1시간의 소결을 행한다.
이렇게 하여 얻어진 소입자직경 고다공률의 텅스텐 박막층은, 외관상 크랙이 없고, 또한 충분한 강도를 가지며, 평균 입자 직경 1㎛, 다공률 약 30%이고, 약 10㎛의 균일한 두께를 갖고 있었다. 또한, 얻어진 음극 기재는 도 8에 도시하는 개략도와 마찬가지의 2층 구조를 갖는다.
전술한 방법을 이용하여, 소입자직경 고다공률 영역의 입자 직경, 다공률 및 대입자직경 저다공률 영역의 입자 직경, 다공률을 변화시킨 음극선관용 음극 기재를 작성하여, 그 방사 특성의 평가 및 강제 라이프 시험을 행하였다. 작성한 음극 기재는, 그 재질로서 텅스텐을 이용하고, 그 반경이 1.1㎜, 두께가 0.32㎜이었다. 전자 방사 물질로서 BaO:CaO:Al2O3=4:1:1을 함침하였다. 소입자직경 고다공률 영역은 스크린 인쇄법을 이용하여, 10㎛의 두께로 형성하였다. 또한, 이 위에는 Ir의 스퍼터막을 형성하였다.
듀티에 의한 방사 특성은, 이 음극 기재에, 히터, 양극 등을 부착하여 조립된 2극관을 이용하여, 양극 전압 200V, 히터 전압 6.3V의 조건으로 실행하였다.
강제 라이프 시험은, 이 음극 기재를 이용하여 조립된 음극 구조체를 화면 대각선 치수 760㎜인 텔레비젼용 수상관에 탑재하여, 히터 전압 8.5V, 음극 전류 600㎂의 조건하에서 실행되었다. 그 방사 측정으로서, 히터 전압 6.3V, 제 1 그리드에 200V, 듀티 0.25%의 펄스를 인가했을 때의 음극 전류를 측정하였다.
그 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.
시료 대입자직경 저다공율 영역 소입자직경 저다공율 영역
입자직경(㎛) 다공율(%) 입자직경(㎛) 다공율(%)
123456789101112131415161718 333333333333311.521015 202020202020202020101525302020202020 11110.050.111.53111111111 202540453030303030303030303030303030
시료 듀티 0.1%에서의 방사(%) 듀티 4.0%에서의 방사(%) 강제 라이프(%) 기타 문제 종합 평가
1 88 88 120 ×
2 103 128 103 ○
3 103 125 102 ○
4 102 107 100 소입자직경 고다공율 영역의 박리가 있음. △
5 60 70 120 함침이 어려움. △
6 100 120 107 ○
7 105 166 101 ◎
8 102 120 101 ○
9 93 75 100 ×
10 101 132 69 함침이 어려움 △
11 100 129 93 ○
12 102 150 90 ○
13 120 173 40 ×
14 82 121 66 ×
15 82 118 79 △
16 93 105 100 ○
17 92 102 100 ○
18 68 88 91 기재 소결이 어려움 △
상기 표 중, 듀티 0.1%에서의 방사(%)란, 소입자직경 고다공률 영역이 없는 입자 직경 3㎛, 다공률 20%의 음극 구조체를 이용한 전자관으로, 듀티 0.1%의 펄스 동작을 실행했을 때에 얻어지는 방사량을 100으로 하여, 각각의 실험치를 퍼센트로 나타낸 것이다. 또한, 마찬가지로, 듀티 4.0%에서의 방사(%)란, 소입자직경 고다공률 영역을 마련하지 않은 입자 직경 3㎛, 다공률 20%의 음극 기재를 이용한 전자관으로, 듀티 4.0%의 펄스 동작을 실행했을 때에 얻어지는 방사량을 100으로 하여, 각각 실험치를 퍼센트로 표시한 것이다. 또한, 강제 라이프(%)는, 하기 수학식 2로 나타낸다.
(Ilife/I0)/(Ilife ref/I0 ref)×100(%)
여기서는, 소입자직경 고다공률 영역이 없는 입자 직경 3㎛, 다공률 20%의 음극 기재를 이용한 전자관의 강제 라이프 시험전의 방사값을 I0 ref, 강제 라이프 시험 3000 시간후의 방사값을 Ilife ref로 하고, 그것에 대하여, 표에 나타난 구성의 음극 구조체를 이용한 전자관의 강제 라이프 시험전의 방사값을 I0, 강제 라이프 시험 3000 시간 후의 방사값을 Ilife로 한다.
강제 시험은, 통상 전자관의 음극 필라멘트 전압이 6.3V인 것을 8.5V로 올려 음극 온도를 상승시킨 상태에서 실행하였다.
표 1 및 표 2로부터 명백한 바와 같이, 소입자직경 고다공률 영역의 다공률이 25 내지 40%인 경우, 내이온 충격성이 향상되지만, 다공률이 25%미만으로 되면, 방사 특성이 열화하고, 또한 40%을 넘으면, 소입지직경 고다공률 영역의 강도가 충분히 얻어지지 않는 경향이 있음을 알 수 있다. 소입자직경 고다공률 영역의 입자 직경이 0.1 이상 2㎛ 미만인 경우, 내이온 충격성이 향상되고 있지만, 입자 직경이 O.1㎛ 미만으로 되면, 음극 표면에 개구되는 구멍의 수가 현저하게 감소하여 함침이 곤란해지고, 또한 2㎛을 넘으면, 충분한 내이온 충격성을 얻을 수 없게 되는 경향이 있음을 알 수 있다.
또한, 대입자직경 저다공률 영역의 다공률이 15 내지 25%인 경우, 양호한 음극 특성를 얻을 수 있지만, 다공률이 15% 미만으로 되면, 함침되는 전자 방사 물질의 양이 현저하게 감소하여 수명이 줄어들고, 또한 25%를 넘으면, 이번에는 전자 방사 물질에 증발 속도가 너무 빨라져서, 수명이 줄어드는 경향이 있음을 알 수 있다. 대입자직경 저다공률 영역의 입자 직경이 2㎛ 이상 10㎛ 미만인 경우, 양호한 음극 특성를 얻을 수 있지만, 입자 직경이 2㎛ 미만으로 되면, 폐쇄된 기공이 나타나고, 함침량이 감소하고, 수명이 줄어들며, 또한 방사 특성도 열화하는 경향이 있다. 또한, 대입자직경 저다공률 영역의 입자 직경이 10㎛을 넘으면, 소결에 의해 소정의 다공률을 얻는 데 있어서, 방대한 에너지 혹은 시간을 요하는 경향이 있음을 알 수 있다.
실시예 3
본 실시예는, 본 발명에 따른 함침형 음극 구조체의 제 3 예를 나타낸다.
우선, 대입자직경 저다공률층으로서, 실시예 1과 마찬가지의 대입자직경 저다공률층으로서 다공질 W 기재를 준비하였다. 이 다공질 W 기재의 방사면측의 표면에, 가공폭 20 내지 50㎛의 깊이로, 동일 정도의 20 내지 50㎛의 피치로, 연삭 등의 기계 가공에 의해 복수의 가공홈을 형성하였다. 그 후, 0.5 내지 1㎛의 평균 입자 직경의 W 분말을 얻을 수 있는 가공홈에 충전하였다.
그 후, 실시예 1와 마찬가지로 하여 열처리를 실행하였다. 이렇게 하여 얻어진 음극 기재의 개략도를 도 11에 도시한다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 이 음극 기재는, 입자 직경 약 3㎛의 W 입자로 이루어지는 다공률 약 17%의 대입자직경 저다공률의 다공질 W 기재(42)로 이루어지는 매트릭스와, 그 기재 표면에 점재하는 평균 입자 직경 0.5 내지 1㎛, 다공률 30%의 소입자직경 고다공률의 W 영역(41)으로 구성된다.
실시예 4
본 실시예는, 본 발명에 관한 함침형 음극 구조체의 제 4 예를 나타낸다. 여기서는, 실시예 2와 마찬가지 유형의 음극 구조체에 이용되는 음극 기재를 스프레이법을 이용하여 형성하였다.
우선, 대입자직경 저다공률층으로서, 실시예 2와 마찬가지의 형상의 입자 직경 3㎛, 다공률 20%의 다공질 W 기재를 준비하였다.
다음에, 도포액으로서, W 입자와, 초산부틸과 메탄올과의 혼합물을 만들었다. 이 도포액을, 분사 거리 1O㎝, 공기 압력을 1.2kg/㎠, 분사 유량 0.35cc/s, 분사 시간 5초로 하여, 에어건(air gun)을 이용하여 지렛대의 기재 표면상에 도포액을 수직으로 분사하였다. 얻어진 도포막을 그 후 건조하여, 도포막의 소결 및 기재와의 접착을 위해, 수소 분위기중 1900℃의 온도로 10분간 열처리하였다. 이렇게 하여 형성된 소입자직경 고다공률의 W 박막층은, 외관상 크랙이 없고, 또한 충분한 강도를 가지며, 막두께 20㎛, 평균 입자 직경 1㎛, 다공률 30%이었다. 또한, 얻어진 음극 기재의 구조는, 도 8에 도시하는 개략도와 마찬가지이다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 이러한 2층 구조를 갖는 음극 기재(23)상에, BaO:CaO:Al2O3=4:1:1의 몰비의 혼합물로 이루어지는 전자 방사 물질을 적용하여, H2분위기하에서 1700℃의 온도로 10분간 가열하여, 도면중 도면번호(24)로 나타낸 바와 같이 전자 방사 물질을 용융 함침시켰다.
이렇게 하여 작성된 음극 구조체를 도 10에 도시하는 바와 같은 함침형 음극 구조체에 적용하여, 양극을 준비하고, 다이오드 구성의 전자관을 작성하여, 이 전자관의 전자 방사 특성을 측정하였다. 그 결과, 본 발명에 따르면, 종래의 함침형 음극에 비해, 고듀티 영역에서의 전자 방사 특성이 개선되었다.
실시예 5
본 실시예는, 본 발명의 함침형 음극 구조체에 관한 제 5 예를 나타낸다.
여기서, 소입자직경 고다공률의 W 박막층의 형성 방법은, 다음과 같다.
도포액으로서, W 입자와, 탄산디에틸(diethyl carbonate)과 니트로셀룰로오스(nitrocellulose)의 혼합액을 만들어, 이 도포액을 1000rpm으로 회전시킨 실시예 4와 마찬가지의 다공질 W 기재상에 스핀 코팅법을 이용하여 형성하는 것 이외에는, 실시예 4와 마찬가지로 하여 각종 층두께의 소입자직경 고다공률의 W 박막층을 형성하여, 음극 기재를 얻었다. 얻어진 박막층은, 평균 입자 직경 1㎛, 다공률 30%였다. 또한, 얻어진 음극 기재는, 도 8에 도시하는 바와 같은 2층 구조를 갖고 있었다.
이 음극 기재에, 실시예 4와 마찬가지로 하여 전자 방사 물질을 용융 함침시켰다.
다음에, 전자 방사 물질이 함침된 음극 기재의 전자 방사면측상에, Ir의 박막층을, 스퍼터링법을 이용하여 형성하였다. 얻어진 Ir 박막층과 음극 기재의 W를 합금화시키기 위해, Ir 박막층이 형성된 음극 기재를 고순도의 수소 분위기하에서 1290℃의 온도로 10분간 가열 처리하였다.
이렇게 하여 얻어진 함침형 음극에 대하여, 실시예 4와 마찬가지로 전자 방사 특성을 평가하였다. 이 때의 인가 펄스의 듀티와 방사 변화율과의 관계를 나타내는 그래프를 도 12에 도시한다.
도 12는, 2층 구조에 있어서, 소입자직경 고다공률층이 없는 경우와, 소입자직경 고다공률층의 층두께를 변화시킨 경우에 대하여, 그 듀티비와 방사 변화율과의 관계를 나타낸다. 도면 중, 실선(100)은 소입자직경 고다공률층이 없는 경우, 도면번호(103)는 두께 3㎛의 경우, 도면번호(110)는 막두께 10㎛의 경우, 도면번호(120)는 막두께 20㎛의 경우 및 도면번호(130)는 막두께 30㎛의 경우를 각각 나타낸다. 이 예에서는, 대입자직경 저다공률층으로서, 입자 직경 3㎛, 다공률 20%인 것, 소입자직경 고다공률층으로서 입자 직경 1㎛, 다공률 30%인 것을 이용하였다. 또한, 방사 변화율은, 듀티 0.1%일 때의 방사을 100%로 하여 나타내었다. 그 측정 조건은, 히터 전압 6.3V, 양극 전압 200V였다.
이 도면으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래의 함침형 음극 구조체에 비해, 고듀티 영역에서의 전자 방사 특성이 개선됨과 동시에, 이 막두께가 3 내지 30㎛의 범위에 있어서 고듀티 영역에서의 우수한 전자 방사 특성를 얻을 수 있었다.
실시예 6
이 실시예는, 본 발명의 함침형 음극 구조체의 제 6 예를 나타낸다.
우선, 대입자직경 저다공률층으로서, 입자 직경 3㎛, 다공률 20%의 다공질 W 기재를 준비하였다. 이 음극 기재는, 도 10에 나타내는 음극선관용 음극 구조체에 적용할 수 있는 것이다. 그 전자 방사 표면상층에, W 분말을 유기용제와 함께 페이스트 형상으로 조정하여, 스크린 인쇄에 의해 혼합물층의 두께가 20㎛로 되도록 도포하였다. 그 후, 도포된 페이스트를 건조하여, 수소 분위기중에서, 1900℃로 10분간 열처리함으로써, 소입자직경 고다공률의 W 박막층을 형성하였다. 또, 소결후의 다공질층의 평균 입자 직경이 1㎛, 다공률이 30%로 되도록, W 페이스트의 농도, 인쇄 조건 및 상기 소결시의 소결 시간 및 온도를 조절하였다.
이렇게 하여 작성된 음극 기재는, 도 8에 도시하는 바와 같은 2층 구조를 갖고 있었다.
이 음극 기재에, BaO:CaO:Al2O3=4:1:1 몰비의 혼합물로 이루어지는 전자 방사 물질을 적용하여, 음극 기재의 구멍중에 수소분위기중에서 1700℃로, 10분간 용융 함침시켰다.
이와 같이 작성된 음극 기재 표면에, 스퍼터링법에 의해 Sc화합물 박막층인 ScH2층 및 고융점 금속 박막층인 Re층을 교대로 2층씩 형성하였다.
얻어진 음극 기재는, 도 13에 도시하는 바와 같이 대입자 저다공률층(22)상에 소입자 고다공률층(23)이 적층되고, 그 구멍내에 전자 방사 물질이 함침된 적층체상에, ScH2층(25, 27) 및 고융점 금속 박막층인 Re층(26, 28)이 교대로 적층된 구조를 갖는다. ScH2박막층 및 Re 박막층의 두께는 모두 20㎚이고, 각 층을 2층씩 교대로 스퍼터하였다. 특히, ScH2박막층을 스퍼터할 때에는 H2의 분리를 막기 위하여 스퍼터 가스로서 Ar 가스에 부가하여 1 용량%의 H2가스를 도입하였다.
이렇게 하여 작성된 음극 구조체를 도 10에 도시하는 바와 같은 함침형 음극 구조체에 적용하여, 양극을 마련하고, 다이오드 구성의 전자관을 작성하였다. 이 전자관의 전자 방사 특성을, 아래와 같이 평가하였다. 우선, 히터 전압 6.3V이고, 음극·양극 사이에 200V의 펄스를 인가하였다. 여기서, 인가 펄스의 듀티를 0.1에서 9.0%까지 변화시켜, 그 방사 전류 밀도를 측정하였다.
본 실시예에 관한 함침형 음극의 방사 전자 특성으로서, 그 듀티와 방사 전류 밀도와의 관계를 나타내는 그래프를 도 14에 도시한다. 도면 중 도면번호(71)은 종래의 산화스칸듐계 함침형 음극의 측정 결과, 도면번호(72)는 본 발명에 의한 스칸듐계 함침형 음극의 측정 결과, 도면번호(73)은 종래의 메탈 코트의 함침형 음극의 측정 결과이다. 본 발명에 의한 스칸듐계 함침형 음극은, 종래의 함침형 음극보다 저·고듀티 영역 모두 방사 전류 특성이 우수하다.
다른 예로서 상기 고융점 금속 박막층 중 Re 대신에 Ru 또는 Hf를 이용하여도, 스칸듐 화합물 박막층의 ScH2대신에 Sc를 이용하여도, 상기와 동등한 특성을 나타내었다.
실시예 7
이 실시예는, 본 발명의 제 7 예를 나타낸다.
도 15 내지 도 21에, 본 발명에 사용되는 음극 기재의 제조 공정을 설명하기 위한 도면을 도시한다.
우선, 평균 입자 직경 3㎛의 텅스텐 입자를 이용하고, 통상의 방법을 이용하여 다공률 20%의 대입자직경 저다공률층의 다공질체를 얻었다.
그 후, 얻어진 대입자직경 저다공률층상에, 텅스텐을 포함하는 페이스트를, 스크린 인쇄법을 이용하여 성막하였다. 이어서, 성막된 페이스트를, 수소 분위기중에서, 1800℃로 30분간 소성함으로써, 대입자직경 저다공률층상에, 평균 입자 직경 1㎛, 다공률 30%의 소입자직경 고다공률층의 다공질체를 형성하여, 음극 기재를 얻었다.
이 음극 기재의 단면 구조를 나타내는 개략도를 도 15에 도시한다. 도 15에 도시하는 바와 같이 얻어진 음극 기재(123)는, 대입자직경 저다공률층(121)과, 그 위에 형성된 소입자직경 고다공률층(122)으로 구성된다.
다음에, 대입자직경 저다공률층(121)상에 구리입자를 적용하여, 구리입자층(131)을 형성하였다. 구리입자층(131)의 형성 수단으로서는, 예를 들면 구리입자 함유 페이스트를 이용하여 스크린 인쇄를 실행하는 방법, 구리입자를 소입자직경 고다공률층(122) 표면에 직접 바르는 방법 등을 이용할 수 있다. 여기서는, 직접 바르는 방법을 이용하였다.
이렇게하여 얻어진 음극 기재의 단면 구조를 나타내는 개략도를 도 16에 도시한다. 도 16에 도시하는 바와 같이 구리입자가 적용된 음극 기재(133)는, 음극 기재(123)상에 구리입자층(131)을 갖는다.
그 후, 음극 기재(133)를, 예를 들면 몰리브덴제의 컵에 넣어, 수소분위기중에서 1080℃ 정도까지 가열함으로써, 구리입자(131)를 용융시켜, 소입자직경 고다공률층(122) 표면을 동피복층으로 피복하였다. 이 때, 가열 온도는, 최고로, 구리의 융점인 1083℃이면 되는데, 동피복이 충분히 실행되는 범위에서 설정할 수 있다.
도 17은, 동피복층으로 피복된 음극 기재(143)의 단면 구조를 나타내는 개략도이다. 도 17에 도시하는 바와 같이, 음극 기재(143)상은 용융된 동피복층(141)에 의해 피복되어 있다.
도 18은, 음극 기재의 절단 공정을 설명하기 위한 상기 개략도이다. 도 18에 도시하는 바와 같이, 얻어진 음극 기재(143)를, 그 후, 레이저 광원(150)으로부터의 레이저광(151)에 의해 절단하고, 도 19에 도시하는 바와 같이 소정 크기의 각각의 음극 기재(160)로 절단하였다.
도 20은 절단된 음극 기재의 형상을 나타내는 도면이며, 도 21은 텀블링 처리후의 음극 기재의 모양을 도식적으로 나타내는 도면이다. 도 20에 도시하는 바와 같이 절단된 음극 기재(160)에는 버(161)가 존재하고, 또한, 산화, 증발물에 의한 오염물(162) 등이 부착되어 있었다.
또한, 절단된 음극 기재(160)를, 알루미나와 실리카로 이루어지는 소구체와 함께 밀폐용기에 넣어, 배럴 연마기(barrel polisher)를 이용하여 텀블링 처리를 실행하였다. 도 21에 도시하는 바와 같이, 이 처리에 의해, 버(161) 및 오염물(162) 등이 제거되어, 대입자직경 저다공률층(121)과 소입자직경 고다공률층(122)과 동피복층(141)층으로 구성되는 음극 기재(180)를 얻을 수 있었다.
얻어진 음극 기재(180)는, 초산:물의 부피비가 1:1인 용액에, 약 12시간 침적후, 물로 세척하여 건조하였다. 그 후, 몰리브덴제의 컵에 넣어, 수소분위기중에서 동의 불꽃이 없어질 때까지 1500℃에서 가열하여, 동을 제거하였다. 도 22는, 동을 제거한 음극 기재의 모양을 나타내는 개략도이다. 도 22에 도시하는 바와 같이, 동을 제거한 후의 소입자직경 고다공률층(122)의 표면은, 절단, 텀믈링에 의한 표면 형상의 악화는 보이지 않고, 양호한 상태를 나타냈다. 또한, 소입자직경 고다공률층(122)의 구멍부에도 막힘은 보이지 않았다.
이어서, 소입자직경 고다공률층(122) 표면에, 산화 바륨:산화칼슘:산화알루미늄을 4:1:1의 몰비로 혼합하여 얻어진 전자 방사 물질을 적용하여, 수소분위기중에서 1650℃로 약 3분간 가열함으로써 음극 기재(180)내에 용융 함침시켰다. 도 23에, 이렇게 하여 얻어진 함침형 음극의 구성을 나타내는 개략도를 도시한다. 도 23에 도시하는 바와 같이 적용된 전자 방사 물질(208)은, 소입자직경 고다공률층(122)의 구멍부를 통해, 대입자직경 저다공률층(121)의 구멍부내에 함침되었다.
이상과 같이, 제 7 예에 따르면, 본 발명의 방법을 이용함으로써, 절단, 텀블링 정도가 개량되어, 전자 방사면에 손상없이 양호한 함침형 음극을 얻을 수 있다.
실시예 8
이하에, 본 발명의 제 8 예에 대하여 나타낸다.
도 24 및 도 25는, 본 발명에 사용되는 음극 구조체의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
우선, 실시예 7과 마찬가지로 하여 평균 입자 직경 3㎛, 다공률 20%의 텅스텐 다공질체로 이루어지는 대입자직경 저다공률층을 얻었다.
그 후, 얻어진 대입자직경 저다공률층상에, 텅스텐과 구리입자를 포함하는 페이스트를, 스크린 인쇄법을 이용하여 성막하였다. 이어서, 성막된 페이스트를, 수소분위기중에서 1800℃로 30분간 소성함으로써, 대입자직경 저다공률층상에, 평균 입자 직경 1㎛, 다공률 30%의 소입자직경 고다공률층의 다공질체로 이루어지는 음극 기재를 얻었다.
이 음극 기재의 단면 구조를 나타내는 개략도를 도 24에 도시한다. 도 24에 도시하는 바와 같이 얻어진 음극 기재(213)는, 대입자직경 저다공률층(211)과, 소입자직경 고다공률층(212)으로 이루어지는 2층 구조를 갖고, 소입자직경 고다공률층(212)은, 텅스텐 입자(214)와 구리입자(215)를 포함하는 다공질층인 음극 기재(213)를 실시예 7과 마찬가지로 하여 가열함으로써, 구리입자(131)를 용융시켜, 소입자직경 고다공률층(212) 표면을 동으로 피복하여, 그 구멍부를 매립하였다.
도 25는, 동에 의해 구멍부가 매립된 음극 기재의 단면 구조를 나타내는 개략도이다. 도 25에 도시하는 바와 같이, 음극 기재(223)의 소입자직경 고다공률층(222)은, 텅스텐 입자(214) 사이의 구멍부가 용융된 구리(225)에 의해 매립된 구조를 갖는다.
얻어진 음극 기재(223)를 실시예 7과 마찬가지로 하여 절단하고, 텀블링을 실행하여, 구리 성분을 제거하였다. 동을 제거한 후의 소입자직경 고다공률층 표면은, 절단, 텀블링에 의한 표면 형상의 악화는 보이지 않고, 양호한 상태를 나타냈다. 또한, 소입자직경 고다공률층의 구멍부에도 막힘은 보이지 않았다.
이어서, 소입자직경 고다공률층 표면에, 실시예 7과 마찬가지로 하여 전자 방사 물질을 적용, 용융시킨 바, 음극 기재내에 충분히 용융 함침시킬 수 있었다.
제 8 예에 따르면, 본 발명 방법을 이용함으로써, 절단, 텀블링 정도가 개량되어, 전자 방사면에 손상없이 양호한 함침형 음극를 얻을 수 있다.
상기 본 발명의 함침형 음극 기재 혹은 그것을 이용한 함침형 음극 구조체를 전자관, 구체적으로는 음극선관, 클라이스트론관, 진행파관, 또한 자이로트론관에 사용한 바, 더 구체적으로는, 도 3에 도시하는 음극선관, 도 4에 도시하는 클라이스트론관, 도 5에 도시하는 진행파관, 도 6에 도시하는 자이로트론관에 사용한 바, 고전압, 고주파 조건하에서도, 충분한 내이온 충격성(ion-impact resistence)을 갖으며, 양호한 전자 방사 특성을 갖는 고성능, 고수명의 각종 전자관를 얻을 수 있다. 또, 본 발명의 함침형 음극 구조체는 상기예에 한정되지 않고 각종 전자관에 이용할 수 있다.

Claims (28)

  1. 함침형 음극 기재에 있어서,
    대입자직경 저다공률 영역과, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 전자 방사면측에 제공되어, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖고, 또한 상기 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역을 포함하며, 전자 방사 물질이 함침되어 이루어지는 함침형 음극 기재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대입자직경 저다공률 영역은, 그 평균 입자 직경이 2 내지 10㎛이고, 또한 다공률이 15 내지 25%인 함침형 음극 기재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소입자직경 고다공률 영역은, 그 평균 입자 직경이 0.1㎛ 이상 2.0㎛ 미만이고, 다공률이 25 내지 40%인 함침형 음극 기재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소입자직경 고다공률 영역은, 그 두께가 30㎛ 이하인 함침형 음극 기재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소입자직경 고다공률 영역은, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 전자 방사면측에, 선형상 또는 점형상으로 존재하고 있는 함침형 음극 기재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 대입자직경 저다공률 영역에서부터 상기 소입자직경 고다공률 영역에 걸쳐, 그 평균 입자 직경 및 다공률이 단계적으로 변화하는 함침형 음극 기재.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    그 전자 방사면상에, 이리듐, 오스뮴, 레늄, 루테늄, 로듐 및 스칸듐으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하는 층이 더 형성된 함침형 음극 기재.
  8. 제 1 항에 따른 함침형 음극 기재의 제조 방법에 있어서,
    대입자직경 저다공률로 되는 다공질 소결체를 형성하는 공정과,
    상기 다공질 소결체의 전자 방사면측에, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖고, 또한 상기 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입지직경 고다공률 영역를 형성하여, 다공질 음극부재를 얻는 공정과,
    상기 다공질부재를 절단함으로써, 다공질 음극 기재를 형성하는 공정과,
    상기 다공질 음극 기재에 전자 방사 물질을 함침하는 공정을 포함하는 함침형 음극 기재의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 소입자직경 고다공률 영역은, 인쇄법, 스핀 코팅법, 스프레이법, 전착법 및 용사법 중에서 선택되는 방법을 이용하여 형성되는 함침형 음극 기재의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 따른 함침형 음극 기재의 제조 방법에 있어서,
    대입자직경 저다공률로 되는 다공질 소결체를 형성하는 공정과,
    상기 다공질 소결체의 전자 방사면측에, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖고, 또한 상기 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역을 형성하여, 다공질 음극부재를 얻는 공정과,
    상기 다공질 음극부재의 전자 방사면상에, 1200℃ 이하의 융점을 갖는 금속 및 합성 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 충전재를 배치하는 공정과,
    상기 충전재가 배치된 다공질 음극부재를, 상기 충전재가 용융할 수 있는 온도로 가열하여, 상기 다공질 음극부재내에 상기 충전재를 함침시키는 공정과,
    상기 다공질 음극부재를 소정의 크기로 절단 또는 펀칭하여, 다공질 음극 기재를 형성하는 공정과,
    상기 다공질 음극 기재를 텀블링 처리하여, 버 및 오염물을 제거하는 공정과,
    상기 텀블링 처리된 다공질 음극 기재로부터 상기 충전재를 제거하는 공정과,
    충전재를 제거한 상기 다공질 음극 기재에, 전자 방사 물질을 함침하는 공정을 포함하는 함침형 음극 기재의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 따른 함침형 음극 기재의 제조 방법에 있어서,
    대입자직경 저다공률 영역으로 되는 고융점 금속다공질 소결체를 형성하는 공정과,
    상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖는 고융점 금속 분말과, 1200℃ 이하의 융점을 갖는 금속 및 합성 수지의 군으로 이루어지는 충전재로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 페이스트를 준비하는 공정과,
    상기 페이스트를, 상기 대입자직경 저다공률 영역으로 되는 고융점 금속 다공질 소결체의 전자 방사면측에 도포하는 공정과,
    상기 페이스트가 도포된 대입자직경 저다공률 영역의 고융점 금속 다공질 소결체를, 상기 충전재가 용융할 수 있는 온도로 가열하여, 상기 고융점 금속 다공질 소결체상에, 상기 대입자직경 저다공률 영역의 평균 입자 직경보다도 작은 평균 입자 직경을 갖고, 또한 상기 대입자직경 저다공률 영역의 다공률보다도 큰 다공률을 갖는 소입자직경 고다공률 영역을 형성하여, 다공질 음극부재를 얻는 공정과,
    상기 다공질 음극 기재를 텀블링 처리하여, 버 및 오염물을 제거하는 공정과,
    상기 텀블링 처리된 다공질 음극 기재로부터 상기 충전재를 제거하는 공정과,
    충전재를 제거한 상기 다공질 음극 기재에, 전자 방사 물질을 함침하는 공정을 포함하는 함침형 음극 기재의 제조 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 함침형 음극 기재를 갖는 함침형 음극 구조체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 함침형 음극 구조체는 음극선관용인 함침형 음극 구조체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    통형상의 음극 슬리브와, 상기 음극 슬리브의 일단부의 내면에 고정된 함침형 음극 기재 고정 부재와, 상기 함침형 음극 기재 고정부재에 고정된 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 함침형 음극 기재와, 상기 음극 슬리브를 둘러싸도록, 그 외측에 동축적으로 배치된 통형상 홀더와, 일단부가 상기 음극 슬리브의 외측에 고정되고, 타단부가 상기 통형상 홀더의 내측에 고정된 복수의 스트랩와, 상기 음극 슬리브의 내측에 배치된 히터를 구비하는 함침형 음극 구조체.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 함침형 음극 구조체는 클라이스트론용인 함침형 음극 구조체.
  16. 제 15 항에 있어서,
    제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 함침형 음극 기재와, 상기 함침형 음극 기재를 지지하는 지지통과, 상기 지지통에 내장되고, 또한 절연물에 매립되어 이루어지는 히터를 구비하는 함침형 음극 구조체.
  17. 제 12 항에 따른 함침형 음극 구조체를 구비한 전자총을 갖는 전자총 구조체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전자총은 음극선관용인 전자총 구조체.
  19. 제 18 항에 있어서,
    제 13 항에 따른 함침형 음극 구조체와, 상기 함침형 음극 구조체의 전자 방사면측에 동축적으로 배치된 복수의 그리드 전극과, 상기 복수의 그리드 전극의 전면에, 동축적으로 배치된 컨버젼스 전극을 갖는 전자총과, 상기 전자총에 접속되는 분압용의 저항기를 구비하는 전자총 구조체.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 전자총은 클라이스트론용인 전자총 구조체.
  21. 제 20 항에 있어서,
    제 15 항의 함침형 음극 구조체와, 상기 함침형 음극 구조체를 내장하는 음극부와, 상기 함침형 음극 구조체의 전자 방사면에 동축적으로 배치된 양극부를 구비하는 전자총 구조체.
  22. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 함침형 음극 구체를 구비하는 전자관.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 전자관은 음극선관용인 전자관.
  24. 제 23 항에 있어서,
    전면부를 갖는 진공외부덮개와, 상기 전면부 내면에 구비된 형광체층과, 상기 진공외부덮개의 전면부에 대향하는 위치에 배치된 제 18 항의 전자총 구조체와, 상기 형광체층과 상기 전자총 구조체의 사이에 배치된 셰도우 마스크를 구비하는 전자관.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 전자관은 클라이스트론용인 전자관.
  26. 제 25 항에 있어서,
    제 21 항의 전자총 구조체와, 상기 전자총 구조체의 전자 방사면측에 동축적으로 배치된 복수의 공진 공동이 드리프트 사이에서 연결된 고주파 작용부 및 콜렉터부와, 상기 고주파 작용부의 외주부에 배치된 자계 발생 장치를 구비하여, 클라이스트론에 사용되는 전자관.
  27. 제 22 항에 있어서,
    제 12 항의 함침형 음극 구조체를 구비한 전자총 구조체와, 상기 함침형 음극 구조체의 전자 방사면측에 동축적으로 배치된 신호를 증폭하는 지파회로와, 전자빔을 포착하는 콜렉터부를 구비하고, 진행파관에 사용되는 전자관.
  28. 제 22 항에 있어서,
    제 12 항의 함침형 음극 구조체를 구비한 전자총 구조체와, 상기 함침형 음극 구조체의 전자 방사면측에 배치된 직경이 점차로 작아지는 테이퍼형의 전자빔 압축부와, 상기 테이퍼형 전자빔 압축부에 연속적으로 배치된 공동 공진부와, 상기 공동 공진부에 연속적으로 배치된 직경이 점차로 커지는 테이퍼형 전자파 안내부와, 전자빔을 포착하는 콜렉터부와, 상기 공진 공동부의 외주부에 배치된 자장 발생 장치를 구비하고, 자이로트론관에 사용되는 전자관.
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