DE10227857A1

DE10227857A1 - Kathode für Elektronenröhre und Verfahren zur Herstellung der Kathode

Info

Publication number: DE10227857A1
Application number: DE10227857A
Authority: DE
Inventors: Jong-Seo Choi; Dong-Hee Han; Seung-Kwon Han; Dong-Kyun Seo; Bu-Chul Sin; Hwan-Chul Rho
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2003-01-02
Also published as: KR20030001204A; CN100437873C; US20020195919A1; JP2003059389A; KR100428972B1; CN1393903A

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Kathode für eine Elektronenröhre, welche eine Metallbasis und eine Schicht aus Elektronen emittierendem Material, mit der die Metallbasis beschichtet ist, aufweist, wobei die Schicht aus Elektronen emittierendem Material nadelförmiges leitfähiges Material enthält und die Oberflächenrauhigkeit, die dem Abstand zwischen dem höchsten Punkt und dem tiefsten Punkt auf der Oberfläche der Schicht aus Elektronen emittierendem Material entspricht, auf weniger als 10 Mikron eingestellt ist. Nadelförmiges leitfähiges Material ist in der Schicht aus Elektronen emittierendem Material enthalten, um wirkungsvoll einen leitfähigen Weg darin auszubilden, wodurch die Erzeugung von Joulescher Wärme durch Selbsterwärmung der Schicht aus Elektronen emittierendem Material minimiert ist. Auch sind Korn- und Porengrößen der Schicht aus Elektronen emittierendem Material gleichförmig eingestellt, und die Dichte und Porösität der Schicht aus Elektronen emittierendem Material sind ebenfalls kontrolliert, wodurch die Dichte und Oberflächenplanheit der Kathode, verglichen mit einer herkömmlichen Kathode, die nach einem Sprühverfahren hergestellt ist, verbessert sind. Im Betrieb kann also ein Schrumpfen der Kathode verhindert und die Gleichförmigkeit des Abstandes zwischen einer Kathode und einem ersten Gitter aufrechterhalten werden, wodurch die Lebensdauercharakteristik verbessert wird und sich eine stabile Emissionscharakteristik zeigt. Die Elektronenröhrenkathode ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kathode für eine Elektronenröhre und ein Verfahren zur Herstellung der Kathode, im einzelnen auf die Verbesserung der Lebensdauercharakteristik einer thermische Elektronen emittierenden Kathode, wie mit einem Oxid beschichtet ist (sog. Oxidkathode), die in breitem Maße im allgemeinen CRTs (Kathodenstrahlröhren) verwendet wird.
Eine Kathode enthält eine scheibenartige Metallbasis, eine zylindrische Hülse, die an der Unterseite der Metallbasis als Träger angesetzt ist und die mit einer Heizvorrichtung versehen ist, die innerhalb derselben zur Beheizung der Kathode angeordnet ist, sowie eine Schicht aus Elektronen emittierendem Material, mit der die Oberseite der Metallbasis beschichtet ist. Eine Oxidkathode für eine Elektronenröhre hat den Vorteil einer verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperatur (700 bis 800°C) als Folge der niedrigen Austrittsarbeit, so dass sie in breitem Maße bei herkömmlichen Kathodenstrahlröhren verwendet wird.
Frühere Oxidkathoden für Elektronenröhren sind allgemein so aufgebaut, dass die Schicht aus Elektronen emittierendem Material aus einem Erdalkalimetallkarbonat auf Bariumgrundlage, vorzugsweise einem ternären Karbonat, das Barium, Strontium und Kalzium in Form von (Ba-Sr-Ca)CO₃ enthält, oder einem binären Karbonat das Barium, Strontium und Kalzium in Form von (Ba-Sr)CO₃ enthält eine Metallbasis beschichtet, die aus einer Verbindung auf Nickelgrundlage besteht, welche Spuren eines Reduktionsmittels, wie Silizium (Si), Magnesium (Mg) oder Wolfram (W) enthält. Das Karbonat wird in Oxid durch einen Evakuierungs- oder Aktivierungsprozess umgewandelt und wirkt als Elektronen emittierendes Material.
Ein allgemeines Verfahren zur Herstellung einer Oxidkathode sowie Elektronenemissionsprinzipien werden nun beschrieben.
Karbonatpulver mit Bariumkarbonat als Hauptkomponente wird mit einem organischen Lösungsmittel gemischt, in welchem ein Binder, wie Nitrozellulose, gelöst ist. Eine Metallbasis wird mit dem Gemisch durch Sprühen oder galvanisch beschichtet und auf einer Elektronenkanone für eine Elektronenröhre angebracht. Im Evakuierungsschritt einer Elektronenröhre wird das Karbonat bis auf 1000°C durch eine Heizvorrichtung erwärmt und in Bariumoxid, wie durch Formel (1) ausgedrückt, umgewandelt:

BaCO₃ → BaO + CO₂↑ (1)
Beim Betrieb der Kathode reagiert Bariumoxid mit dem Reduktionsmittel in der Metallbasis, wie etwa Mg oder Si, am Oxid/Metall-Übergang gemäß den folgenden Reaktionen zu freiem Barium, welches die Quelle der Elektronenemission ist:

BaO + Mg → MgO + Ba↑ (2)

4BaO + Si → Ba₂SiO₄ + 2Ba↑ (3)
Da freies Barium die Rolle eines Elektronendonators spielt, wird das Kathodenoxid während des Betriebs der Kathode physikalisch ein n-Halbleiter. Wenn ein großer Strom in einem Halbleiter fließt, wird im allgemeinen als Folge von dessen eigenem Widerstand Joulesche Wärme erzeugt. Wenn die Erzeugung von Joulescher Wärme für eine lange Zeitdauer anhält, verdampft oder schmilzt Ausgangsmaterial durch Selbsterwärmung, womit die Kathode verschlechtert wird. Wenn also das herkömmliche Kathodenoxid zur Erhöhung der Elektronenemissionsdichte bei hoher Stromdichte verwendet wird, kann die Kathode durch Joulesche Wärme verschlechtert werden, was die Lebensdauer der Kathode abrupt verkürzt.
Wie in den Reaktionsgleichungen (2) und (3) gezeigt, werden bei der Bariumerzeugung neben freiem Barium Nebenprodukte, wie MgO, Ba₂SiO₄, etc. erzeugt. Diese Arten von Nebenprodukten sammeln sich an und bilden am Übergang zwischen der Schicht aus Elektronen emittierendem Material und der Metallbasis eine Zwischenschicht, die als Diffusionsbarriere aus Reduktionsmittel, wie Mg, Si, etc., wirkt. Dadurch wird die Erzeugung von freiem Barium unterdrückt, was zu einer Verkürzung der Kathodenlebensdauer führt. Da ferner die Zwischenschicht einen hohen Widerstand hat, stört sie den Fluss des Elektronenemissionsstromes, was die Stromdichte der Kathode begrenzt.
Zusammen mit weitverbreiteten Trends hin zu hochauflösenden und größeren Bildschirmen für Fernseher oder Monitore, die Kathodenstrahlröhren verwenden, hat sich ein zunehmender Bedarf an Kathoden mit hohen Stromdichten und größeren Lebensdauern ergeben. Frühere Oxidkathoden sind jedoch aufgrund der oben erwähnten Nachteile im Bezug auf Wirksamkeit und Lebensdauer nicht in der Lage, diesen Bedarf zu erfüllen.
Eine imprägnierte Kathode ist für ihre hohe Stromdichte und lange Lebensdauer bekannt, ihr Herstellungsverfahren ist jedoch komplex und ihre Betriebstemperatur beträgt etwa 1000°C, was höher als diejenige von Oxidkathoden ist. Eine imprägnierte Kathode muss daher aus teurem Material mit viel höherem Schmelzpunkt hergestellt werden, und ihre praktische Verwendung ist behindert.
Unter praktischen Gesichtspunkten ist es vorzuziehen, die herkömmliche Oxidkathode so zu verbessern, dass sie eine erhöhte Lebensdauer aufweist, und es wurde auf diesem Gebiet viel Forschung betrieben.
Im einzelnen beschreibt beispielsweise die koreanische Offenlegungsschrift Nr. 91-17481 (Saito et al.) mit dem Titel Kathode für Elektronenröhre eine Kathode für eine Elektronenröhre, bei welcher eine Metallbasis mit wenigstens einer Metallschicht, wie etwa Wolfram oder Molybdän, beschichtet ist und ein Seltenerdmetalloxid, wie etwa Sc₂O₃, in einer Schicht aus einem Elektronen emittierenden Material enthalten ist, und nimmt für sich in Anspruch, dass eine hohe Stromdichte und eine hohe Lebensdauer verwirklicht werden können, da Seltenerdmetalloxid, wie etwa Scandium (Sc), dazu dient, das Zwischenprodukt zu zersetzen, und Wolfram selbst als Reduktionsmittel zur Erzeugung von freiem Barium wirkt.
Wolfram (W), das als Reduktionsmittel wirkt, erzeugt jedoch nicht nur freies Barium, sondern auch ein Nebenprodukt, ausgedrückt in der folgenden Reaktionsgleichung (4), das eine abrupte Verschlechterung der Kathodeneigenschaften, insbesondere der Lebensdauer, bewirkt.

2BaO + 1/3W → 1/3Ba₃WO₆ + Ba↑ (4)
Auch die japanische Offenlegungsschrift Hei 8-50849 (Narita et al.), betreffend ein Kathodenelement und eine dieses verwendende Elektronenröhre (entsprechend EP 0685868 A1) beschreibt eine Kathode für eine Elektronenröhre, welche eine sogenannte heißisostatisch gepresste (HIP) Kathode ist, bei welcher metallisches Nickelpulver und Karbonatsalz gemischt um bei hoher Temperatur und bei hohem Druck geformt werden, um als Elektronenemissionsschicht zu dienen. Die sich ergebende Elektronenemissionsschicht selbst wird als Folge des metallischen Nickels leitend, und die Erzeugung von Joulescher Wärme ist bei hoher Stromdichtebelastung erheblich vermindert. Die HIP-(heiß isostatisch gepresste) Kathode hat jedoch eine Betriebstemperatur von ungefähr 850°C, was 50°C höher als diejenige der herkömmlichen Oxidkathode ist, und das Herstellungsverfahren der heißisostatisch gepressten Kathode ist komplex, womit die Herstellungskosten stark erhöht werden.
Auch die japanische Offenlegungsschrift Hei 6-28968 (Gärtner et al.) betreffend eine einen Festkörper enthaltende Kathode (entsprechend EP 0560436 B1) beschreibt eine Kathode für eine Elektronenröhre mit verbesserter Lebensdauer, die erzielt wird, indem ein leitfähiger Weg beruhend auf einem Perkulationsprinzip durch Hinzufügen von 20 bis 80 Vol.-% an sphärischen Metallkörnern zu einer Schicht aus Elektronen emittierendem Material, wie sie bei der herkömmlichen Oxidkathode verwendet wird, ausgebildet wird. Zur Ausübung eines Perkulationseffekts durch Hinzufügen der sphärischen Metallkörner müssen jedoch mindestens 30 Gew.-% an diesen Metallkörnern in der Elektronen emittierenden Schicht enthalten sein, was bedeutet, dass der Gehalt an Elektronen emittierender Metallschicht stark vermindert ist, was wiederum zu einer Abnahme des Anfangsemissionsstroms der Kathode führt. Ein weiteres Beispiel für den Stand der Technik ist US 5 592 043 (Gärtner et al.) betreffend eine einen Festkörper enthaltende Kathode.
In einem Artikel mit dem Titel "Progress an the Percolation Cathode", IDW'99 Proceedings of the Sixth International Display Workshops CRT6-4 (Late-News Paper), S.N.B. Hodgson, wird eine Oxidkathode mit einem Perkulationspfad, hergestellt durch Hinzufügen von 2,5 bis 5 Vol.-% an nadelförmigen Nickelkörnern zu einer Schicht aus Elektronen emittierendem Material beschrieben. Die beschriebene Oxidkathode, bei welcher eine Schicht aus Elektronen emittierendem Material durch ein herkömmliches Sprühverfahren ausgebildet wird, ist jedoch insofern nachteilig, als ihre Oberflächenrauhigkeit gravierend ist.
Durch ein Sprühverfahren, bei welchem die Beschichtung unter Verwendung durch Strahlkraft, bewirkt durch nichts anderes als Luftdruck, durchgeführt wird, lässt sich ein gleichförmiger, dichter Beschichtungsfilm nicht erzeugen. Die Struktur einer Schicht aus Elektronen emittierendem Material, die mit einem Sprühverfahren aufgeschichtet ist, ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Fig. 2 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer durch ein Sprühverfahren aufgeschichteten Schicht aus Elektronen emittierendem Material, in 400-facher Vergrößerung, bei der die Porengröße zwischen Körnern ungleichförmig und deren Oberfläche sehr rauh und grob ist. Fig. 3 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Schicht aus Elektronen emittierendem Material, in 3000-facher Vergrößerung, anhand der sich bestätigen lässt, dass die Korngrößen und die Porengrößen zwischen den einzelnen Körnern ungleichförmig sind.
Die rauhe Oberfläche einer Kathode führt zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Elektronenemissionsbündel über den Bildschirm hinweg und bewirkt eine Nicht-Gleichförmigkeit der Bildluminanz und bringt eine "Moiré"-Erscheinung mit sich, bei welcher als Folge einer Interferenz zwischen den Elektronenbündeln und Punkten auf dem Bildschirm Fransenmuster erzeugt werden. Wenn die Kathodenstruktur nicht dicht ist, können als Folge eines Sintereffekts nach langer Betriebsdauer Poren auch kollabieren oder schrumpfen.
Der Abstand zwischen der Kathode und einem ersten Gitter nimmt also zu, was schließlich einen Unterschied im elektrischen Potential zwischen der Kathode und dem ersten Gitter bewirkt, das zur Steuerung der Emission von Elektronenbündeln eingestellt ist, und was zu einer Verschlechterung von Helligkeits- und Lebensdauercharakteristiken als Folge einer Abnahme der Menge an emittiertem Elektronenbündel führt.
Wie oben beschrieben, können Qualität und Zuverlässigkeit einer Vorrichtung gemindert werden, wenn eine Kathode mit einer Schicht aus Elektronen emittierendem Material, die hinsichtlich Korngröße, Porengröße und Planarität ungleichförmig ist, in einer Elektronenkanone eingesetzt wird. Die in den vorstehenden Absätzen beschriebenen Kathoden können diese Nachteile nicht überwinden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Oxidkathode zu schaffen, welche eine Verschlechterung der Kathode als Folge einer Selbstaufheizung unterdrücken kann, indem die Erzeugung von Joulescher Wärme, die durch den Innenwiderstand der Oxidkathode bewirkt ist, vermindert wird.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Oxidkathode, welche eine Spannungsverteilung, die auf einen Abstandsunterschied zwischen der Kathode und einem ersten Gitter zurückgeht, minimieren kann und ferner verbesserte Lebensdauer und Luminanz bei Betrieb mit hoher Stromdichte hat, indem das Schrumpfproblem der Kathode, das auf eine lange Betriebszeit zurückgeht, gelöst wird.
Ferner schafft die Erfindung eine Kathode mit einer Elektronenemissionsschicht mit erhöhter Dichte und Planarität.
Ferner schafft die Erfindung eine Kathode, bei welcher Korn- und Porengröße der Elektronenemissionsschicht gleichförmig eingestellt sind.
Ferner schafft die Erfindung eine Kathode, welche die "Moiré"-Erscheinung beseitigt, bei welcher Fransenmuster als Folge einer Wechselwirkung zwischen den Elektronenbündeln und Punkten auf dem Bildschirm erzeugt werden.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben enthält eine Kathode für eine Elektronenröhre eine Metallbasis und eine Schicht aus Elektronen emittierendem Material, mit der die Metallbasis beschichtet ist, wobei die Schicht aus Elektronen emittierendem Material ein nadelförmiges leitfähiges Material enthält. Die Oberflächenrauhigkeit der Schicht aus Elektronen emittierendem Material, die einem Abstand zwischen dem höchsten Punkt und dem tiefsten Punkt entspricht, wird auf weniger als 10 µm (Mikrometer bzw. Mikron) eingestellt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das nadelförmige leitfähige Material vorzugsweise einen spezifischen Widerstand, der nicht größer als 10^-1 Ωcm (Ohm Zentimeter) ist.
Ferner enthält das nadelförmige leitfähige Material vorzugsweise wenigstens einen der Stoffe Kohlenstoff, Indiumzinnoxid, Nickel, Magnesium, Rhenium, Molybdän und Platin.
Noch mehr bevorzugt ist das nadelförmige leitfähige Material ein kohlenstoffhaltiges Material. Das kohlenstoffhaltige Material kann aus der Gruppe, bestehend aus Carbon-Nanotube, Kohlenstoff-Faser und Graphit-Faser, ausgewählt sein.
Der Gehalt an nadelförmigem leitfähigem Material, der in der Schicht aus Elektronen emittierendem Material enthalten ist, liegt vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 30 Gew.-%, beruhend auf dem Gesamtgewicht an Elektronen emittierendem Material, und die Dicke der Schicht aus Elektronen emittierendem Material liegt vorzugsweise im Bereich von 30 bis 80 µm.
Die Metallbasis wird mit der Schicht aus Elektronen emittierendem Material vorzugsweise nach einem Druckverfahren, einem galvanischen Verfahren oder einem Anstrichverfahren beschichtet. Stärker bevorzugt wird die Beschichtung der Metallbasis mit der Schicht aus Elektronen emittierendem Material nach einem Siebdruckverfahren beschichtet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Kathode ferner eine Metallschicht, etwa aus Nickel mit einer Korngröße, die kleiner als diejenige der Metallbasis ist, zwischen der Metallbasis und der Schicht aus Elektronen emittierendem Material enthalten.
Die Metallschicht kann ferner 1 bis 10 Gew.-% Wolfram und 0,01 bis 1 Gew.-% Aluminium, beruhend auf dem Gesamtgewicht von Nickel, enthalten, und die Dicke der Metallschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 30 µm.
Die Metallschicht kann ferner wenigstens ein Metall ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Tantal (Ta), Chrom (Cr), Magnesium (Mg), Silizium (Si) und Zirkon (Zr), enthalten.
Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Auf diesen ist bzw. zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer allgemeinen Kathode für eine Elektronenröhre,
Fig. 2 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Schicht aus einem Elektronen emittierenden Material für eine herkömmliche Kathode bei 400-facher Vergrößerung,
Fig. 3 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Schicht aus einem Elektronen emittierenden Material für die in Fig. 2 gezeigte herkömmliche Kathode bei 3000-facher Vergrößerung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung, die den Querschnittsaufbau einer Oxidkathodenschicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Querschnittsaufbaus einer Oxidkathodenschicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der in Fig. 4 gezeigten Oxidkathodenschicht bei 400-facher Vergrößerung,
Fig. 7 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der in Fig. 4 gezeigten Kathode bei 3000-facher Vergrößerung,
Fig. 8 ein Graph, der eine Änderung der Lebensdauercharakteristik in Bezug zur Betriebszeit von Kathoden, die in den Beispielen der vorliegenden Erfindung und den Vergleichsbeispielen hergestellt wurden,
Fig. 9 die mittlere Zeit bis zu beobachtetem Fehler (MTTF), abgeschätzt anhand der Auswertungsergebnisse für die Lebensdauercharakteristiken von Kathoden, die in den Beispielen der Erfindung und den Vergleichsbeispielen hergestellt wurden,
Fig. 10 eine Änderung der Einsatzspannung von Kathoden, die in den Beispielen der Erfindung und den Vergleichsbeispielen hergestellt wurden,
Fig. 11 Emissionsanfangscharakteristiken von Kathoden, die in den Beispielen der Erfindung und den Vergleichsbeispielen hergestellt wurden, und
Fig. 12 die Oberflächenrauhigkeit der Schicht aus Elektronen emittierendem Material.
Unter Bezug auf Fig. 1 enthält eine Kathode eine scheibenförmige Metallbasis 12, eine zylindrische Hülse 13, die auf die Unterseite der Metallbasis 12 zur Abstützung gesetzt ist und mit einer Heizvorrichtung 14 versehen ist, die innerhalb der Hülse zum Beheizen der Kathode angeordnet ist, sowie eine Elektronenemissionsmaterial-Schicht 11, mit der die Oberseite der Metallbasis 12 beschichtet ist. Eine Oxidkathode für eine Elektronenröhre hat den Vorteil einer verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperatur (700 bis 800°C) als Folge der niedrigen Austrittsarbeit, so dass sie in großem Umfang bei allgemeinen Kathodenstrahlröhren verwendet wird.
Frühere Oxidkathoden für Elektronenröhren sind im allgemeinen so aufgebaut, dass die Elektronenemissionsmaterial- Schicht 11 aus einem Erdalkalimetallkarbonat auf Bariumbasis, vorzugsweise einem ternären Karbonat, welches Barium, Strontium und Kalzium in Form von (Ba-Sr-Ca)CO₃ enthält, oder binären Karbonat, welches Barium, Strontium und Kalzium in Form von (Ba-Sr)CO₃ enthält, über die Metallbasis 12 aus einer Verbindung auf Nickelgrundlage, welche Spuren eines Reduktionsmittels, wie Silizium (Si), Magnesium (Mg) oder Wolfram (W) enthält, geschichtet ist. Das Karbonat wird in Oxid durch einen Evakuierungs- oder Aktivierungsprozess umgewandelt und wirkt als Elektronen emittierendes Material.
Der Aufbau einer durch einen Sprühprozess aufgetragenen Elektronenemissionsmaterial-Schicht ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Fig. 2 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer durch einen Sprühprozess aufgebrachten Elektronenemissionsmaterial-Schicht bei 400-facher Vergrößerung, wobei die Größen von Poren zwischen den Körnern ungleichförmig sind und ihre Oberfläche sehr rauh und grob ist. Fig. 3 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Elektronenemissionsmaterial-Schicht bei 3000-facher Vergrößerung, aus der sich bestätigen lässt, dass die Korngrößen und die Größen von Poren zwischen den einzelnen Körnern ungleichförmig sind.
Eine Kathode für eine Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun in größeren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Kathode der vorliegenden Erfindung wurde zur Eliminierung von Faktoren, die eine Verschlechterung der Lebensdauer herkömmlicher Kathoden unter hoher Stromdichtelast herbeiführen, entwickelt. Die vorliegende Kathode enthält in einer Schicht aus Elektronen emittierendem Material ein nadelförmiges leitfähiges Material, das wirkungsvoller einen leitenden Weg ausbildet als sphärische leitfähige Körner. Eine Verschlechterung der Kathode als Folge einer Selbsterwärmung kann unterdrückt werden, indem die Erzeugung von Joulescher Wärme, die durch den Innenwiderstand des Kathodenoxids bewirkt ist, vermindert wird. Auch wird die Oberflächenrauhigkeit des Elektronen emittierenden Materials so kontrolliert, dass sie in einem bestimmten Bereich liegt, derart, dass ein Spannungsunterschied als Folge eines Unterschieds im Abstand zwischen der Kathode und einem ersten Gitter minimiert wird. Auch ein Schrumpfen der Kathode als Folge einer langen Betriebsdauer kann überwunden werden, womit die Luminanz und Lebensdauer der Kathode, wenn sie bei hoher Stromdichte betrieben wird, verbessert wird.
Die Fig. 4 und 5 zeigen schematisch Oxidkathodenschichten gemäß der vorliegenden Erfindung. Im einzelnen zeigt Fig. 4 den Aufbau einer Oxidkathode mit einem ein nadelförmiges leitfähiges Material 51 enthaltenden Elektronen emittierendem Material 50, mit dem eine Metallbasis 70 direkt beschichtet ist, und Fig. 5 zeigt den Aufbau einer Kathode die eine Metall(zwischen)schicht 60, welche Nickelmetall 52 als Hauptkomponente enthält und zwischen einer Metallbasis 70 und einer Schicht aus Elektronen emittierendem Material 50, welche ein nadelförmiges leitfähiges Material 51 enthält, ausgebildet ist. Das Nickelmetall 52 kann mehr als 95 Gew.-% der Metallschicht 60 ausmachen. Die Metallschicht 60 kann ferner refraktäres Metall zur Verstärkung der mechanischen Festigkeit der Kathode und/oder ein Reduktionsmittel 53 enthalten.
Im Gegensatz zur Schicht aus Elektronen emittierendem Material der herkömmlichen Oxidkathode, welche aus einem Karbonat auf Bariumbasis, beispielsweise aus einem ternärem Karbonat (Ba-Sr-Ca)CO₃ oder einem binären Karbonat (Ba-Sr)CO₃ besteht, enthält die Oxidkathode gemäß der vorliegenden Erfindung ein nadelförmiges leitfähiges Material in einer Schicht aus Elektronen emittierendem Material, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Das nadelförmige leitfähige Material ist elektrisch leitfähig mit einem spezifischen Widerstand, der nicht höher als 10^-1 Ωcm (Ohm Zentimeter) ist, und ist vorteilhafter hinsichtlich der Ausbildung eines leitfähigen Wegs innerhalb der Schicht aus Elektronen emittierendem Material als das sphärische leitfähige Material. Die Verschlechterung als Folge der Erzeugung Joulescher Wärme kann also durch Hinzufügen einer viel kleineren Menge an nadelförmigem leitfähigem Material ausreichend unterdrückt werden, und auch der Gehalt an Elektronen emittierendem Material wird im Verhältnis angehoben und die Anfangsemissionscharakteristik verbessert. Ferner ist, wie in Fig. 12 zu sehen, die Oberflächenrauhigkeit der Schicht aus Elektronen emittierendem Material 50, die als der Abstand d zwischen dem höchsten Punkt 50a und dem tiefsten Punkt 50b auf der Oberfläche der Schicht aus Elektronen emittierendem Material 50 gemessen wird, so eingestellt, dass sie unter 10 µm liegt, wird eine Spannungsänderung als Folge eines Unterschiedes im Abstand zwischen der Kathode und dem ersten Gitter minimiert und kann das Schrumpfen der Kathode als Folge einer langen Betriebsdauer der Kathode vermindert werden. Die Luminanz und Lebensdauer unter hoher Stromdichte können also merklich verbessert werden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Oxidkathode gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben.

Herstellung der Karbonatpaste

Karbonatpulver auf Bariumbasis und nadelförmiges leitfähiges Pulver werden mit einem organischen Bindemittel und einem organischen Lösungsmittel zur Herstellung von Karbonatpaste homogen gemischt. Der Gehalt an nadelförmigem leitfähigem Pulver beträgt vorzugsweise 0,01 bis 30 Gew.-%, beruhend auf dem Gesamtgewicht der Karbonatpaste. Wenn der Gehalt an leitfähigem Pulver kleiner als 0,01 Gew.-% ist, ist die elektrische Leitfähigkeit der Schicht aus Elektronen emittierendem Material nicht hoch genug, die Joulesche Wärme wirksam zu reduzieren. Wenn der Gehalt an leitfähigem Pulver mehr als 30 Gew.-% beträgt, wird die Menge an Elektronen emittierendem Material im Verhältnis vermindert, was die Elektronenemissionscharakteristik beeinträchtigen kann.
Zu verwendbaren Materialien für das in der Oxidkathode gemäß der Erfindung verwendete nadelförmige leitfähige Pulver gehören kohlenstoffhaltiges Material, wie etwa Carbon-Nanotube (CNT), Kohlenstoff-Fasern oder Graphit-Fasern, nadelförmiges Indiumzinnoxid (ITO), nadelförmiges Metall, wie Nickel, Magnesium, Rhenium, Molybdän oder Platin, und dergleichen. Anders ausgedrückt kann jedes nadelförmige leitfähige Material das einen spezifischen Widerstand von kleiner oder gleich 10^-1 Ωcm hat, in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Kohlenstoffhaltiges Material, wie etwa Carbon-Nanotube, wird vorzugsweise in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet. Das kohlenstoffhaltige Material wird mit Vorteil unter dem Gesichtspunkt seiner stabilen Struktur bei hoher Temperatur und eines hohen Verhältnisses von Länge zu Durchmesser (d. h. seines Seitenverhältnisses) verwendet.
Je größer die Länge des nadelförmigen Pulvers wird, desto wirkungsvoller kann ein leitfähiger Kanal ausgebildet werden. Anders ausgedrückt, wird mit zunehmender Länge des nadelförmigen Pulvers der leitfähige Kanal vorteilhafter ausgebildet. Leitfähigkeit kann also wirkungsvoll verliehen werden, indem eine geringe Menge eines leitfähigen Materials zugesetzt wird.
Jedes Karbonatsalz, das allgemein bei der Herstellung von Oxidkathoden verwendet wird, kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, beispielsweise (Ba-Sr-Ca)CO₃ oder (Ba- Sr)CO₃. Die Menge an in der Karbonatpaste enthaltenem Karbonatsalz liegt vorzugsweise im Bereich von 40 bis 60 Gew.-% beruhend auf dem Gesamtgewicht der Paste. Wenn die Menge an Karbonatsalz geringer als 40 Gew.-% ist, kann eine gewünschte Elektronenemission nicht erzielt werden. Wenn die Menge an Karbonatsalz größer als 60 Gew.-% ist, wird die Fließfähigkeit des Gemischs gesenkt, was zu einer schlechten Beschichtungsgleichförmigkeit führt.
Als der Karbonatpaste zugesetzte Bindemittel kann jedes Bindemittel, das typischerweise nach dem Stand der Technik verwendet wird, verwendet werden, und detaillierte Beispiele des Bindemittels enthalten Nitrozellulose, Ethylzellulose und dergleichen. Der Gehalt an Bindemittel liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 10 Gew.-% beruhend auf dem Gesamtgewicht der verwendeten Karbonatpaste. Wenn der Gehalt an Bindemittel kleiner als 1 Gew.-% ist, kann sich die Haftung nach dem Trocknen verschlechtern. Wenn der Gehalt des Binders größer als 10 Gew.-% ist, können Nebenwirkungen, wie ein Ausgasen oder eine Restverunreinigung in der Kathodenschicht, auftreten.
Um das Gemisch in dem pastenartigen Zustand zu halten, wird Terpinol, Buthylcarbitolacetat oder eine Kombination aus Terpinol und Buthylcarbitolacetat als nicht flüchtiges organisches Lösungsmittel bevorzugt. Der Gehalt an organischem Lösungsmittel liegt vorzugsweise im Bereich von 30 bis 50 Gew.-% beruhend auf dem Gesamtgewicht der Karbonatpaste, um die Paste für den Druck geeignet zu halten. Wenn das organische Lösungsmittel unter 30 Gew.-% liegt, ist die Paste für eine Verwendung zum Drucken zu zäh. Wenn das organische Lösungsmittel über 50 Gew.-% liegt, ist die Paste so dünn, dass die Paste durch das Sieb läuft, so dass ein geeignetes Drucken auf einen bestimmten Bereich nicht möglich ist.

Ausbildung einer Metallschicht auf einer Metallbasis

Unter Bezug auf Fig. 5 kann vor dem Ausbilden der Schicht aus Elektronen emittierendem Material 50 eine Metallschicht 60 zusätzlich zum Zwecke einer Verteilung von Zwischenprodukten und Erzielung eines Diffusionswegs eines Reduktionsmittels während des Betriebs der Kathode eingefügt werden. Ein Metallschichtausbildungsprozess wird nun kurz beschrieben.
Nickelpulver und wahlfrei eine bestimmte Menge an Wolfram oder Aluminium oder an sowohl Wolfram als auch Aluminium als Reduktionsmittel werden gemischt und dann mit einem organischen Bindemittel und organischem Flüssigphasenlösungsmittel homogen gemischt, um so die Paste herzustellen. Die Paste wird auf die Oberfläche der Metallbasis aufgebracht und dann unter Vakuum oder inerter Gasatmosphäre thermisch behandelt, um so eine Metallschicht ohne organisches Material zu erhalten. Zu Verfahren der Beschichtung der Metallbasis 70 mit der Metallschicht 60 gehören, ohne speziell darauf eingeschränkt zu sein, Drucken, Sprühen, galvanische Abscheidung oder Bestreichen. Um jedoch die Oberflächenrauhigkeit der Kathode so einzustellen, dass sie in einem bestimmten Bereich liegt, ist das Drucken am stärksten bevorzugt.
Um ferner die Haftung zwischen der Metallschicht und der Schicht aus Elektronen emittierendem Material zu erhöhen, kann die Metallschicht Gitter- oder Punktdruckmuster annehmen. Beim Siebdruck kann ein Drucksieb mit einem solchen Druckmuster verwendet werden.
Die Dicke (B) einer Nickelmetallschicht beträgt vorzugsweise 1 bis 30 µm (Mikron). Im Falle einer Metallschicht aus Reinnickel beträgt die Dicke der Reinnickelmetallschicht vorzugsweise 2 bis 3 µm (Mikron). Wenn ein Reduktionsmittel zugesetzt wird, lässt sich eine gute Elektronenemission auch bei einer noch dickeren Nickelmetallschicht gewinnen.
Wenn die Dicke einer Metallschicht oberhalb des Bereichs (oberhalb 30 Mikron für eine Nickelmetallschicht oder oberhalb 3 Mikron für eine Reinnickelmetallschicht) liegt, ist die Diffusion eines Reduktionsmittels behindert, während wenn die Dicke unter dem Bereich (unter 1 Mikron für eine Nickelmetallschicht oder unter 2 Mikron für eine Reinnickelmetallschicht) liegt, sich der Zweck einer Metallschicht nicht erzielen lässt.
Der Grund für die Zusetzung eines Reduktionsmittels, wie Wolfram oder Aluminium, zur Metallschicht ist der, den verlängerten Diffusionsweg des Reduktionsmittels des Basismetalls zu kompensieren. Vorzugsweise ist der Gehalt an Reduktionsmittel 1 bis 10 Gew.-% für Wolfram und 0,01 bis 1 Gew.-% für Aluminium, beruhend auf dem Gesamtgewicht von Nickelpulver. Wenn die Gehalte an Reduktionsmitteln innerhalb dieser Bereiche liegen, ist die Elektronenemission überlegen und stabil. Der gleiche Effekt lässt sich erzielen, indem ein reduzierendes Metall, wie Tantal, Chrom, Magnesium oder Silizium anstelle von Wolfram oder Aluminium verwendet wird. Das reduzierende Metall kann auch irgendeine Kombination von Metallen wie Tantal, Chrom, Magnesium oder Silizium sein.

Verfahren der Herstellung einer Kathode

Mit der so hergestellten das nadelförmige leitfähige Material enthaltenden Karbonatpaste wird die Oberfläche der Metallbasis oder die auf der Metallbasis ausgebildete Nickelmetallschicht beschichtet und die Karbonatpaste dann getrocknet, womit die Kathode fertiggestellt ist. In der erfindungsgemäßen Kathode für eine Elektronenröhre sind ferner Körner der Oxidschicht gleichförmig ohne Zusammenhang verteilt, und die Größen von Poren sind kleiner oder gleich 10 µm (Mikron). Die Oberflächenrauhigkeit der Kathode, die als der Abstand zwischen dem höchsten Punkt 50a und dem tiefsten Punkt 50b der Oberfläche der Schicht aus Elektronen emittierendem Material gemessen wird, ist vorzugsweise kleiner oder gleich 10 µm (Mikron). Um ein solches gewünschtes Niveau der Oberflächenrauhigkeit zu erreichen, kann jedes Verfahren, das geeignet ist, Druck auf die Beschichtungsschicht auszuüben, beispielsweise Drucken, Elektroabscheidung oder Bestreichen beim Aufbringen der Karbonatpaste verwendet werden. Zu detaillierten Beispielen des Druckverfahrens gehören Siebdruck, Walzbeschichten und dergleichen.
Eine Sprühtechnik, die allgemein bei der Herstellung einer Oxidkathode verwendet wird, wird bei der vorliegenden Erfindung jedoch nicht empfohlen, weil die Düse der Auftrag- Spritzpistole durch das in der Karbonatpaste enthaltene nadelförmige leitfähige Material verstopft und die Oberflächenrauhigkeit bis hinauf zu 20 µm (Mikron) in Folge des Zusammenhangs zwischen Körnern erhöht werden kann. Auch bringt die Unebenheit der Beschichtungsoberfläche unvermeidbar Nachteile, wie eine Abnahme der Elektronenemission, die "Moiré"-Erscheinung und eine Spannungsschwankung zwischen der Kathode und dem ersten Gitter mit sich. Die Schicht aus Elektronen emittierendem Material wird vorzugsweise in einer Dicke (A) von 30 bis 80 µm (Mikron) aufgebracht, um eine gute Elektronenemissionscharakteristik ohne abrupte Änderung bestehender Herstellungsbedingungen zu erhalten. Wenn die Dicke (A) der Schicht aus Elektronen emittierendem Material kleiner als 30 µm (Mikron) ist, wird die Oberflächentemperatur der Kathode zu hoch und die Lebensdauer verkürzt sich. Wenn die Dicke der Schicht aus Elektronen emittierendem Material größer als 80 µm (Mikron) ist, wird die Oberflächentemperatur der Kathode zu niedrig, was eine Zersetzung des Karbonats während des Evakuierungsprozesses einer Kathodenstrahlröhre hervorruft, was es schwierig macht, eine gute Emissionencharakteristik zu erzielen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Oxidkathode, die zwei- bis dreimal dichter und ungefähr zweimal flacher als eine herkömmliche Oxidkathode ist, geschaffen. Mit der starken Verminderung der Dicke der Schicht aus Elektronen emittierendem Material kann ein Schrumpfen der Kathode verhindert werden, womit die Luminanz- und Lebensdauercharakteristiken der Kathode verbessert werden und Fehlerhaftigkeit als Folge einer Schwankung der zwischen der Kathode und dem ersten Gitter angelegten Spannung verhindert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Metallbasis mit der Schicht aus Elektronen emittierendem Material nach einem Siebdruckverfahren beschichtet. Beim Siebdruckverfahren wird ein Sieb aus Baumwolle, Nylon, TEFLON oder rostfreiem Stahl auf einen Rahmen gespannt und ein für Druckfarbe durchlässiger Teil und ein für Druckfarbe undurchlässiger Teil ausgebildet und die Druckfarbe auf eine Druckebene gepresst, womit ein Druckvorgang durchgeführt wird. Beim Siebdruckverfahren können Drucksachen frei ausgewählt werden und das Drucken auch auf einer gekrümmten Fläche durchgeführt werden, da die Druckkraft als Folge einer weichen Fläche eines Substrats niedrig und eine Druckfarbenschicht dick ist. Das Siebdruckverfahren kann auf verschiedene Substrate mit breiten industriellen Anwendungen, hierzu gehörend Papier, Kunststofffolien, Leiterplatten usw., angewandt werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Paste, die durch mit Karbonatsalz statt Druckfarbe kopräzipitiertes Pulvermaterial, nadelförmiges leitfähiges Pulver, ein geeignetes Bindemittel und ein organisches Lösungsmittel hergestellt ist, beim Drucken mittels eines Siebdruckes, der nach den oben beschriebenen Prinzipien arbeitet, verwendet.
Die so hergestellte Kathode wird beim Zusammenbau einer Elektronenkanone verwendet und eine Elektronenröhre wird dann fertiggestellt, indem die Elektronenkanone in einem Rastertrichter befestigt, evakuiert und aktiviert wird.
Im Folgenden werden nun die Wirkungen, die auf der erfindungsgemäßen Kathode für eine Elektronenröhre beruhen, beschrieben.

Beispiel 1

60 g (Gramm) eines ternären Karbonats, enthaltend Ba, Sr und Ca im Gewichtsverhältnis von 57 : 30 : 4, 0,1 g Carbon- Nanotube (CNT), 1 g Nitrozellulose und 39 g Terpinol wurden mit einer Kugelmühle zu einer Druckpaste gerührt und gemischt. Mit der Paste wurde eine Metallbasis (Kappe) aus Nickel einer Dicke von 50 µm (Mikron) unter Verwendung eines Siebdruckers (kommerziell verfügbar von Newlong Seimitsu Kogyo Co., Japan, Model Nr. LS-34TV) beschichtet. Die Druckkraft betrug dabei 19,62 bis 29,43 N/cm² (2 bis 3 kgf/cm² [Kilogramm-Kraft pro Quadratzentimeter]) und der Abstand zwischen dem Sieb des Siebdruckers und der Kappe betrug ungefähr 1,5 mm (Millimeter). Das resultierende Erzeugnis wurde bei 150°C in einem atmosphärischen Zustand getrocknet und so die gewünschte Kathode fertiggestellt.
Querschnitt und Oberfläche der Schicht aus Elektronen emittierendem Material der so hergestellten Kathode wurden durch Beobachtung unter einem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Fig. 6 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des Querschnitts der Kathode, 400-fach vergrößert, und Fig. 7 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Oberfläche der Kathode, 3500-fach vergrößert. Die in den Fig. 6 und 7 gezeigten Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen zeigen, dass Korn- und Porengrößen verhältnismäßig gleichförmig sind und die sich ergebenden Mikrostrukturen dicht ausgebildet sind, verglichen mit denjenigen, die in den Fig. 2 und 3 gezeigt sind.

Beispiel 2

Vor dem Bedrucken einer Metallbasis mit einer Karbonatpaste wurde eine eine Metallschicht ausbildende Paste, hergestellt durch homogenes Mischen von 10 g Nickelpulver, 0,5 g Wolframpulver, 0,01 g Aluminiumpulver, 0,1 g Nitrozellulose und 5 g Terpinol, im Siebdruckverfahren auf die Metallbasis in einer Dicke von 2 µm zur Ausbildung einer Metallschicht aufgedruckt. Eine Schicht aus Elektronen emittierendem Material wurde auf der Metallschicht in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 ausgebildet.

Beispiel 3

Eine Kathode für eine Elektronenröhre wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, mit Ausnahme, dass die Metallschicht unter Verwendung von Gittermustern (Maschenmustern) bedruckt wurde.

Beispiel 4

Eine Kathode für eine Elektronenröhre wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme, dass Kohlenstoff-Faser an Stelle von CNT (Carbon-Nanotube) verwendet wurde.

Beispiel 5

Eine Kathode für eine Elektronenröhre wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, mit Ausnahme, dass Kohlenstoff-Faser an Stelle von Carbon-Nanotube verwendet wurde.

Beispiel 6

Eine Kathode für eine Elektronenröhre wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, mit Ausnahme, dass nadelförmiges ITO-(Indiumzinnoxid-)Pulver anstelle von Carbon- Nanotube verwendet wurde.

Beispiel 7

Eine Kathode für eine Elektronenröhre wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, mit Ausnahme, dass ein Nickelfaden anstelle von Carbon-Nanotube verwendet wurde.

Beispiel 8

Eine Kathode für eine Elektronenröhre wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, mit Ausnahme, dass ein Platinfaden an Stelle von Carbon-Nanotube verwendet wurde.

Vergleichsbeispiel 1

Eine allgemein verwendete Sprühzusammensetzung, enthaltend 40 bis 50 Gew.-% Karbonatpulver, 0,3 bis 0,4 Gew.-% Nitrozellulose, 45 bis 55 Gew.-% Isoamylacetat und 4,5 bis 5,5 Gew.-% Diethyloxalat, wurde hergestellt. Während eine Sprühhaube bei einer Temperatur von ungefähr 80°C und einem Druck von 19,62 bis 49,05 N/cm² (2 bis 5 kgf/cm² [Kilogramm-Kraft pro Quadratzentimeter]) gehalten wurde, wurde die hergestellte Zusammensetzung durch ein Sprühverfahren zur Ausbildung einer Schicht aus Elektronen emittierendem Material aufgebracht und der sich ergebende Aufbau bei 150°C in einem atmosphärischen Zustand getrocknet. Die REM-(Rasterelektronenmikroskop-)Aufnahmen des Querschnitts und der Oberfläche der Schicht aus Elektronen emittierendem Material sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt.

Vergleichsbeispiel 2

Eine Kathode für eine Elektronenröhre wurde in der gleichen Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme, dass der Sprühzusammensetzung 10 Gew.-% sphärische Nickelkörner zugesetzt wurden.
Verschiedene Merkmale, die die in den Beispielen und den Vergleichsbeispielen hergestellten Kathoden zeigen, wurden folgendermaßen ausgewertet

(1) Lebensdauercharakteristik

Eine Lebensdauercharakteristik für jede hergestellte Kathode wurde erstellt, indem eine Messung der Änderung des Kathodenstroms (Ik) über der Betriebszeit unter Kathodenlastbedingungen, gegeben durch eine Betriebsspannung von 6,3 V (Volt) der Heizvorrichtung, eine Betriebstemperatur von 760°C und eine Anfangsstromdichte von 5 A/cm² (Ampere pro Quadratzentimeter), durchgeführt wurde, wobei diese als Ik-(Kathodenstrom-)Restgröße für eine bestimmte Zeitdauer bestimmt wurde. Allgemein ist die Lebensdauer einer Kathode definiert als Werte einer mittleren Zeit bis zu beobachtetem Fehler (MTTF [mean time to failure]), was der Zeitdauer entspricht, bis die Ik-(Kathodenstrom-)Restgröße 50% erreicht. Fig. 8 zeigt Auswertungsergebnisse der Lebensdauercharakteristiken der Kathoden, die in den Beispielen der vorliegenden Erfindung und den Vergleichsbeispielen hergestellt sind, für eine hohe Stromdichte von 5 A/cm² (Ampere pro Quadratzentimeter), und Fig. 9 zeigt eine MTTF, abgeschätzt anhand der Auswertergebnisse für die Lebensdauercharakteristiken der Kathoden, die in den Beispielen der vorliegenden Erfindung und dem Vergleichsbeispiel hergestellt sind. Während die herkömmliche Kathode (Vergleichsbeispiel 1) 4000 bis 5000 Stunden zeigte, zeigten die Kathoden der vorliegenden Erfindung größer oder gleich 25 000 Stunden. D. h., die Lebensdauercharakteristiken verbesserten sich deutlich, verglichen mit der herkömmlichen Kathode. Auch die Kathoden der vorliegenden Erfindung zeigten im wesentlichen keine Verminderung in der Bariumverdampfungs- und der Abschneiddriftmenge. Fig. 10 veranschaulicht die Änderung der Einsatzspannung (cutt-off drift) von Kathoden, die 5000 Stunden lang betrieben wurden, im Verhältnis zur Ausgangseinsatzspannung, woraus sich bestätigt, dass die in den Beispielen der vorliegenden Erfindung hergestellten Kathoden eine merklich reduzierte Emissionscharakteristik über der Betriebszeit und eine ausgezeichnete Lebensdauercharakteristik für eine hohe Stromdichte von 5A/cm², verglichen mit den in den Vergleichsbeispielen hergestellten Kathoden, hatten.

(2) Anfangsemissionscharakteristik

Die Anfangsemissionscharakteristik wird gemessen, um die Fehlerhaftigkeit oder Elektronenemissionsfähigkeit einer Kathode einer Elektronenkanone unmittelbar nach der Herstellung einer Elektronenröhre auszuwerten, und wird allgemein ausgewertet, indem der Emissionsstrom der Kathode bei einer Betriebsspannung von 6,3 V der Heizvorrichtung gemessen wird, wenn bestimmte Spannungen an die Kathode und Elektronenkanonengitter angelegt werden. Fig. 11 veranschaulicht die Anfangsemissionscharakteristik (Anfangsemissionsstrom in Mikroampere) von Kathoden, die in den Beispielen der vorliegenden Erfindung und den Vergleichsbeispielen hergestellt sind. Unter Bezug auf Fig. 11 zeigen die erfindungsgemäßen Elektronenröhren Kathoden, die eine geringere Menge an leitfähigem Material als die herkömmliche Kathode im Vergleichsbeispiel 2 enthielten, eine verbesserte Lebensdauer und Anfangsemissionscharakteristik, verglichen mit der herkömmlichen Kathode im Vergleichsbeispiel 2.

(3) Oberflächenrauhigkeit

Der Abstand zwischen dem höchsten Punkt und dem tiefsten Punkt des Querschnitts einer Oxidkathodenschicht wurde anhand einer REM-(Rasterelektronenmikroskop-)Aufnahme mit 200- bis 500-facher Vergrößerung bestimmt. Die Messergebnisse zeigten, dass die in den Beispielen 1 und 2 hergestellten Kathoden eine Oberflächenrauhigkeit von kleiner oder gleich 5 µm hatten, während die in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten Kathoden eine Oberflächenrauhigkeit von ungefähr 20 µm hatten.

(4) Porengrößenverteilung

Die Porengrößenverteilung wurde als Verhältnis eines bestimmten Bereichs zu einem Bereich der Kathode, der von Poren eingenommen war, aufgenommen mit einem REM (Rasterelektronenmikroskop) bei ungefähr 3000-facher Vergrößerung, bestimmt. Die Messergebnisse haben bestätigt, dass die Porengrößen der Kathoden der Beispiele 1 und 2 kleiner oder gleich 5 µm war, während die in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten Kathoden eine Porengröße von ungefähr 20 µm hatten.

(5) Kornzusammenhangs-Größenverteilung

Kathoden wurden mit einem REM mit einer ungefähr 3000- fachen Vergrößerung zur Untersuchung von Kornzusammenhangszuständen aufgenommen. Die Ergebnisse zeigten, dass Karbonatkörner mit jeweils einer Größe von 5 bis 7 µm ohne Zusammenhang in den Kathoden der Beispiele 1 und 2 verteilt waren, während sie in den Kathoden der Vergleichsbeispiele 1 und 2 einen Zusammenhang zu Größen von 30 bis 50 µm erfuhren.
Wie oben beschrieben, ist, da die Erzeugung von Joulescher Wärme als Folge einer Selbsterwärmung einer Schicht aus Elektronen emittierendem Material, welche ein nadelförmiges leitfähiges Material enthält, reduziert ist, eine Spannungsänderung als Folge einer Nichtgleichförmigkeit des Abstandes zwischen einer Kathode und einem ersten Gitter auch nach einem Langzeiteinsatz minimiert. Da ferner das Kollabieren oder Schrumpfen von in der Kathode verteilten Poren durch die hochdichte, hochplane Schicht aus Elektronen emittierendem Material verhindert werden kann, zeigten die erfindungsgemäßen Kathoden verbesserte Lebensdauer-, Einsatzspannungs- und Bildqualitätseigenschaften.
Wie oben beschrieben, ist in der Elektronenröhrenkathode gemäß der Erfindung ein nadelförmiges leitfähiges Material in einer Schicht aus Elektronen emittierendem Material enthalten, wodurch wirkungsvoll ein leitfähiger Weg ausgebildet wird und infolgedessen die Erzeugung Joulescher Wärme als Folge einer Selbsterwärmung der Schicht aus Elektronen emittierendem Material minimiert ist. Auch sind Korn- und Porengrößen der Schicht aus Elektronen emittierendem Material gleichförmig eingestellt und die Dichte und Porosität der Schicht aus Elektronen emittierendem Material sind ebenfalls kontrolliert, wodurch die Dichte und Oberflächenplanarität der Kathode, verglichen mit der durch ein Sprühverfahren hergestellten herkömmlichen Kathode verbessert werden. Während des Betriebs der Kathode kann ein Schrumpfen der Kathode verhindert und eine Gleichförmigkeit im Abstand zwischen Kathode und einem ersten Gitter aufrecht erhalten werden, wodurch die Lebensdauercharakteristik verbessert wird und sich eine stabile Emissionscharakteristik zeigt. Die Elektronenröhrenkathode gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher deutlich die Lebensdauercharakteristik auch für eine hohe Stromdichte, wie sie für eine größere und hochauflösende Kathodenstrahlröhre erforderlich ist, verbessern.

Claims

1. Kathode für eine Elektronenröhre, welche aufweist:
eine Metallbasis;
eine Schicht aus Elektronen emittierendem Material, mit der die Metallbasis beschichtet ist, wobei die Schicht aus Elektronen emittierendem Material nadelförmiges leitfähiges Material aufweist und die Oberflächenrauhigkeit, entsprechend dem Abstand zwischen dem höchsten Punkt und dem tiefsten Punkt auf der Oberfläche der Schicht aus Elektronen emittierendem Material, kleiner als 10 Mikron ist.

2. Kathode nach Anspruch 1, wobei die Kathode eine Oxidkathode ist.

3. Kathode nach Anspruch 2, wobei das nadelförmige leitfähige Material wenigstens ein Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend im wesentlichen aus Kohlenstoff, Indiumzinnoxid, Nickel, Magnesium, Rhenium, Molybdän und Platin, ist.

4. Kathode nach Anspruch 2, wobei das nadelförmige leitfähige Material ein kohlenstoffhaltiges Material ist.

5. Kathode nach Anspruch 4, wobei das kohlenstoffhaltige Material aus der Gruppe bestehend im wesentlichen aus Carbon- Nanotube, Kohlenstoff-Faser und Graphit-Faser ausgewählt ist.

6. Kathode nach Anspruch 2, wobei das nadelförmige leitfähige Material Nickel ist.

7. Kathode nach Anspruch 2, wobei das nadelförmige leitfähige Material in der Schicht aus Elektronen emittierendem Material im Bereich von 0,01 bis 30 Gew.-%, beruhend auf dem Gesamtgewicht des Elektronen emittierenden Materials, liegt.

8. Kathode nach Anspruch 2, wobei das nadelförmige leitfähige Material ein kohlenstoffhaltiges Material ist und das nadelförmige leitfähige Material im Bereich von 0,01 bis 30 Gew.-%, beruhend auf dem Gesamtgewicht der Schicht aus Elektronen emittierendem Material, liegt und die Dicke der Schicht aus Elektronen emittierendem Material im Bereich von 30 bis 80 µm liegt.

9. Kathode nach Anspruch 2, wobei die Metallbasis mit der Schicht aus Elektronen emittierendem Material nach einem Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend im wesentlichen aus Drucken, Elektroabscheidung und Aufstreichen, beschichtet wird.

10. Kathode nach Anspruch 2, wobei die Metallbasis mit der Schicht aus Elektronen emittierendem Material durch Siebdruck beschichtet wird.

11. Kathode nach Anspruch 2, welche ferner eine Metallschicht, welche Nickelkörner enthält, deren Größen kleiner als die Körner in der Metallbasis sind, aufweist, wobei die Metallschicht zwischen der Metallbasis und der Schicht aus Elektronen emittierendem Material ausgebildet ist.

12. Kathode nach Anspruch 11, wobei die Metallschicht ferner wenigstens ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend im wesentlichen aus Aluminium (Al), Wolfram (W), Tantal (Ta), Chrom (Cr), Magnesium (Mg), Silizium (Si) und Zirkon (Zr), enthält.

13. Kathode nach Anspruch 11, wobei die Dicke der Metallschicht im Bereich von 1 bis 30 µm liegt.