专利名称：生产氧化物阴极的方法
技术领域：
本发明涉及阴极射线管的阴极，它用于电视接收器或计算机监视器的显示器，特别涉及到一种生产包含特殊发射材料层的氧化物阴极的方法。
图8举例说明一个氧化物阴极，其中在包含一个加热器盘管1的套管2的一端的阴极衬底3上生成一种多孔发射材料层9，这是众所周知的阴极射线管的阴极。JP5(1993)-74324 A公开一种氧化物阴极的常规实例，其中发射材料层被分开在顶层(表面)和底层(衬底面)，在顶层的发射材料粒子的尺寸要小于在底层的发射材料的粒子尺寸。因此，可以减少发射材料层的表面粗糙程度，以改善其平面，所以能够减小热离子发射角(发射率)，可以限制发射电子的电流密度分布的变形。于是，可以实现阴极射线管优良的分辨率。
但是，在这种情况下，当顶层的发射材料粒子的尺寸小于在底层的发射材料的粒子尺寸时，因为顶层的发射材料粒子太细，增加了它的体积密度，很容易失去它的多孔结构。所以，当阴极射线管长时间工作后，很容易降低阴极的电子发射特性。
本发明的目的是提供一种生产高分辨率的包含一种特殊发射材料层的氧化物阴极的方法，该阴极射线管在长时间工作后不会发生电子发射特性的恶化。
为解决上述问题，本发明提供一种生产氧化物阴极的方法，所述阴极包括含有加热器盘管的套筒，在套筒的一端有阴极衬底，和通过热分解粘附在阴极衬底上的一种碱土金属碳酸盐形成的发射材料层，该方法包括将碱土金属碳酸盐粘附在阴极衬底上，从而使碱土金属碳酸盐的密度至少为0.5g/cm3，但不超过0.8g/cm3；然后压缩碱土金属碳酸盐使其堆积密度接近0.9g/cm3，从而形成碳酸盐层；并进一步在真空中使碳酸盐层热分解。
依照本发明的方法，可以不破坏发射材料层的多孔结构而改善它表面的平整程度。
在本发明中，优选的压缩压力至少为1.5×105Pa但不超过3.5×105Pa。从而，可以使发射材料层堆积密度和表面粗糙度达到最优化。
在本发明中，优选的碳酸盐层厚度至少为40μm但不超过90μm。从而，可以抑制氧化电极发射电流的下降，同时可以防止发射材料层的剥落。
在本发明中，优选的压缩后碳酸盐层表面粗糙度不超过13μm。从而，可以消除发射电子的电流强度变形。
此外，优选的碱土金属碳酸盐平均颗粒尺寸至少为2μm，最大颗粒尺寸不超过13μm。从而，可以保持发射材料的多孔性。
在本发明中，优选的碳酸盐层压缩后堆积密度至少为0.6g/cm3但不超过0.9g/cm3。
此外，优选热分解是在900～1000℃下进行。
此外，优选热分解是在1×10-5～1×10-2Pa下进行。
因此，可以实现具有优良分辨率的阴极射线管，其中几乎或者很难看到波纹。
在本发明中，当发射层材料温度为850℃，发射电流密度为2A/cm2时，工作2000小时后，则剩余发射电流与起始值的比值至少为80％。
在本发明中，优选的碱土金属碳酸盐应为钡和锶的二元碳酸盐或者钡、锶和钙的三元碳酸盐。
图1是依据本发明的氧化物阴极示意结构的局部截面视图。
图2A到2C表示依据本发明的氧化物阴极上碳酸盐层的形成过程。
图3显示压缩后碳酸盐层堆积密度与进行2000小时加速寿命测试后的发射电流间的关系。
图4显示碳酸盐层压缩前后堆积密度之间的差别与压缩后发射材料层表面粗糙度间的关系。
图5显示压缩压力与压缩后发射材料层表面粗糙度之间的关系。
图6显示压缩压力与压缩后碳酸盐层堆积密度之间的关系。
图7显示压缩后碳酸盐层的厚度与进行2000小时加速寿命测试后发射电流之间的关系。
图8显示一个传统氧化物阴极样本示意结构的局部截面视图。
下面将通过参考附图叙述本发明的实施方案。
图1显示本发明中阴极射线管一个阴极的示意结构图。正如图1表示，氧化物阴极10包括含有加热器盘管1的一个圆柱形套筒2，阴极衬底3装在套筒2的一端，阴极衬底3包含用于基底的镍以及还原性元素如镁，和粘附在阴极衬底3上并由碱土金属氧化物颗粒4组成的发射材料层5。
下面叙述生产阴极发射材料层的一个方法示例。
首先，如图2A所示，将平均颗粒尺寸3.5μm最大颗粒尺寸10μm，包括摩尔比为1∶1的碳酸钡和碳酸锶的二元碳酸盐6用喷枪喷涂在阴极衬底3上以形成碳酸盐层7。此时碳酸盐层的堆积密度为0.6g/cm3，厚度为80μm，表面粗糙度(根据JIS B 0601-1982标准的最大高度Rmax)为20μm。
然后，如图2B所示，碳酸盐层7由具有平面的压模8从顶部进行压缩，使碳酸盐层7的堆积密度达到0.8g/cm3，厚度达到60μm，表面粗糙度达到12μm。具体是以3.0kg/cm2的压力进行模压。
然后，如图2C所示，移开压模8，将阴极安装在阴极射线管中，在真空1×10-4Pa(可能的使用范围是1×10-2Pa～1×10-6Pa),950℃(可能的使用范围为900℃-1000℃)下对碳酸盐层7进行热分解，从而产生包含氧化钡、氧化锶的二元发射材料层，其堆积密度至少高于0.45g/cm3但不超过0.70g/cm3。
由此产生的发射材料层具有平坦的表面，在整个层内具有多孔结构。
此时，研究由以上方法制得的氧化物阴极的发射电流密度分散特征，可以评估出使用这种氧化物阴极的阴极射线管的电子枪阴极图象。
阴极图象是指在电子枪的主透镜没有生效的条件下，通过位于阴极和控制电极之间形成的阴极透镜，在屏幕上成象出的电子束点。通过观察阴极图象的亮度分布，可以了解从发射材料层发出的电流密度分布。当阴极图象的亮度分布一致时，电流强度分布也是一致的。
使用本方案中氧化物阴极的阴极射线管的阴极图象亮度分布相对一致，因为该氧化物阴极的电子发射表面是经过模压的。相反，如果阴极射线管的氧化物阴极电子发射表面未经模压，阴极图象亮度分布会有明暗差别的块状分布。
由于本方案中的氧化物阴极通过压缩碳酸盐层以减少发射材料层表面的粗糙度，亮度分布会趋于一致，因此发射电子的电流密度分布也会一致。本方案产生极佳的结果，可以实现没有因扫描线而产生波纹的高清晰度阴极射线管。另外本方案优选发射材料层的表面粗糙度最大值不超过13μm。因为碳酸盐层的表面粗糙度与以氧化物形式存在的发射材料层的表面粗糙度大致相同，所以碳酸盐层的表面粗糙度优选也不超过13μm。
下面将叙述本方案中氧化物阴极的寿命、发射材料层的堆积密度以及压缩压力。
图3显示在发射材料层温度为850℃，发射电流密度为2A/cm2的条件下进行寿命实验时堆积密度与具有压缩碳酸盐层的氧化物阴极寿命之间的关系。这个关系是经过2000小时工作后剩余发射电流与经过压缩后碳酸盐层堆积密度的比值。工作初始时认为发射电流为100％。剩余发射电流的比值越高，也就是发射电流下降的越少，则意味着寿命更长。剩余发射电流优选的比值至少是80％。
从图3可看出，当碳酸盐层的堆积密度大约超过0.9g/cm3时，发射电流显著下降。这是因为当碳酸盐层的堆积密度超过0.9g/cm3时，发射材料层的多孔结构消失。所以碳酸盐层压缩后的堆积密度最好不超过0.9g/cm3。因此，发射材料层的多孔结构可以得到保留，发射电流的下降可以得到抑制，这样高电子发射特性就可以维持很长一段时间。
图4显示发射材料层表面粗糙度与碳酸盐层压缩前后堆积密度之间差异的关系。
为使发射材料层的表面粗糙度如上所述不超过13μm，必须使碳酸盐层压缩前后的堆积密度差值至少为0.1g/cm3。也就是说，为了使碳酸盐层压缩后堆积密度不超过0.9g/cm3以保持多孔结构，所以压缩前堆积密度不超过0.8g/cm3就可以。
但是，当压缩前堆积密度太低时，碳酸盐颗粒与衬底之间的附着区域太小，导致碳酸盐颗粒对于衬底的附着强度降低。当阴极压缩时或压缩后受到震动时，这种附着强度的降低会使碳酸盐层剥落。
在不导致碳酸盐层剥落的情况下，为了消除发射电子的电流密度的变形并为了保持长时间的高电子发射特性，碳酸盐层在压缩前优选的堆积密度至少要为0.5g/cm3但不能超过0.8g/cm3，碳酸盐层在压缩后优选的堆积密度至少要为0.6g/cm3但不能超过0.8g/cm3。
图5显示发射材料层表面粗糙度与压缩压力之间的关系。因为当压缩压力低于1.5×105Pa时，发射材料层的表面粗糙度超过13μm。所以优选的压缩压力至少是1.5×105Pa。
图6显示碳酸盐层压缩后的堆积密度与压缩压力之间的关系。在此图中，特性A是当碳酸盐层压缩前的密度为0.8g/cm3时，特性B是当此密度为0.6g/cm3时，特性C是当此密度为0.5g/cm3时。由图6所示，在这些特性中，当压缩压力超过大约3.5×105Pa时，碳酸盐层的堆积密度超过0.9g/cm3。
因此，碳酸盐层优选的压缩压力是至少为1.5×105Pa但不超过3.5×105Pa。这样，既可以保持多孔结构，又可以减少发射电子的电流密度的变形。
图7显示氧化物阴极中压缩过的碳酸盐层厚度与寿命之间的关系。这个关系是工作2000小时后剩余发射电流与压缩后碳酸盐层厚度的比值。工作初始的发射电流确定为100％。剩余发射电流的比越高，也就是发射电流的下降越小，意味着更高的寿命。
从图7可看到，当压缩后碳酸盐层的厚度低于40μm时，发射电流的下降加剧。因此，考虑到寿命的关系，碳酸盐层压缩后的合适厚度应该超过40μm。但是，如果压缩后的碳酸盐层太厚，碳酸盐层对于衬底的附着强度会降低，所以当阴极受到震动时碳酸盐层过早发生剥落。考虑到寿命的关系，为防止碳酸盐层发生剥落，碳酸盐层压缩后的合适厚度是至少为40μm但不超过90μm。
为了维持多孔结构，碳酸盐理想的平均颗粒尺寸至少为2μm。为了使发射材料层的表面粗糙度不超过13μm，理想的最大颗粒半径不得超过13μm。
尽管在本方案的叙述中，使用二元的碳酸钡和碳酸锶作为碱土金属碳酸盐的例子，但这是非限制性的，任何碱土金属碳酸盐都可以使用。比如，三元的碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙也可用来制备碱土金属碳酸盐。
而且，尽管在本方案的例子中已叙述了，为减少发射材料层的表面粗糙度，将碳酸盐层的整个表面进行压缩，其实只要压缩面向电子束通过的电极栅格缝隙的部分就可以得到同样的效果。这种情况下，只要要求至少在压缩过的部分内，碳酸盐层的堆积密度不超过0.9g/cm3就可以。
最后需要理解的是，只要不脱离本方案的精神和主要特性，本发明具体实施时可以使用其他的形式。本申请中所阐述的方案应考虑为均是说明性的，并非限制性的，所以发明的范围是由附加权利要求要求而不是前面的描述所表示，所有在权利要求的等价物的含义和范围内的所有变化都包括在其中。
权利要求
1．一个生产氧化物阴极的方法，该阴极包括一个具有加热器盘管的套筒，一个装在套筒一端的阴极衬底，和通过热分解粘附在阴极衬底上的碱土金属碳酸盐而形成的发射材料层，该方法包括在阴极衬底上粘附所述碱土金属碳酸盐，使碱土金属碳酸盐的堆积密度至少在0.5g/cm3但不超过0.8g/cm3；然后压缩该碱土金属碳酸盐，使其堆积密度不超过0.9g/cm3，从而形成碳酸盐层；接着在真空中热分解碳酸盐层。
2．权利要求1的方法，其中压缩时的压力至少为1.5×105Pa但不超过3.5×105Pa。
3．权利要求1的方法，其中压缩后碳酸盐层的厚度至少为40μm但不超过90μm。
4．权利要求1的方法，其中压缩后碳酸盐层的表面粗糙度不超过13μm。
5．权利要求1的方法，其中碱土金属碳酸盐的平均颗粒尺寸至少为2μm，最大颗粒尺寸不超过13μm。
6．权利要求1的方法，其中压缩后碳酸盐层的堆积密度至少为0.6g/cm3但不超过0.9g/cm3。
7．权利要求1的方法，其中进行热分解时的温度为900～1000℃。
8．权利要求1的方法，其中进行热分解时的压力为1×10-6～1×10-2Pa。
9．权利要求1的方法，其中在发射材料层温度为850℃，发射电流密度为2A/cm2时，工作2000小时后，在得到的氧化物阴极中剩余发射电流与起始值的比值至少为80％。
10．权利要求1的方法，其中碱土金属碳酸盐是钡和锶的二元碳酸盐或者钡、锶和钙的三元碳酸盐。
全文摘要
生产氧化物阴极10的方法,该阴极包括具有加热器盘管1的套筒2,装在套筒一端的衬底3,粘附在衬底上通过热分解碱土金属碳酸盐形成的发射材料层5,该方法包括在阴极衬底上粘附碱土金属碳酸盐,使其堆积密度为0.5g/cm
文档编号H01J29/04GK1310463SQ0110288
公开日2001年8月29日 申请日期2001年2月21日 优先权日2000年2月21日
发明者林田芳树, 岩井义和, 佐佐木绅二 申请人:松下电子工业株式会社