專(zhuān)利名稱(chēng)：直熱式氧化物陰極和應(yīng)用該氧化物陰極的熒光顯示管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直熱式氧化物陰極，該氧化物陰極用于熒光顯示管，用于大屏幕顯示器中體現(xiàn)熒光顯示管基本原理的光源元件，用于打印機(jī)光源，以及用于背景照明的自發(fā)光設(shè)備。本發(fā)明特別涉及具有很好的發(fā)射特性和低能量消耗的和應(yīng)用該直熱式氧化物陰極的熒光顯示管。
圖22是用于說(shuō)明熒光顯示管1的透視圖，圖23是用于說(shuō)明圖22所示的熒光顯示管的截面圖。該熒光顯示管1有一三極管結(jié)構(gòu)。由絕緣玻璃襯底2，正面玻璃材料30，和一個(gè)玻璃隔板31形成真空容器。該真空容器包括一陽(yáng)極24、一柵極4、和作為直熱式氧化物陰極的直熱式陰極5。一個(gè)通孔22形成于層壓在絕緣襯底上表面的線(xiàn)路層21的上表面中。在通孔22中填入導(dǎo)電材料23。陽(yáng)極24通過(guò)導(dǎo)電材料層壓在絕緣層的上表面上。多個(gè)直熱式陰極5由絲狀固定片設(shè)置和支撐，均發(fā)射出熱電子。電信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電銷(xiāo)6從外部提供給陽(yáng)極，柵極和直熱式陰極。
為了制造直熱式陰極5，在直徑為5到41μm的、非常細(xì)的金屬芯線(xiàn)51(例如鎢或錸鎢合金)的表面上覆蓋有幾微米厚的混合有碳酸鹽粉末52的堿土金屬(例如鋇(Ba)，鍶(Sr)，鈣(Ca))。直熱式陰極5被放置在熒光顯示管的容器中。其后，該容器被抽成真空，同時(shí)燈絲被電加熱轉(zhuǎn)化成氧化物，由此，每個(gè)直熱式氧化物陰極形成為電子發(fā)射源。
在熒光顯示管1中，電子從直熱式陰極5發(fā)出，發(fā)射的電子經(jīng)柵極4加速，撞擊到形成在陽(yáng)極24的熒光材料層25上。熒光材料層25在加速的電子激發(fā)下發(fā)光。
為了使熒光材料層的發(fā)光具有高效率，直熱式陰極5應(yīng)當(dāng)提高發(fā)射能量及減少能量消耗。
一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)氧化物陰極被加熱時(shí)，單位時(shí)間從陰極表面發(fā)出的熱電子流強(qiáng)度(飽和電流)可以用下述理查森-杜什曼方程式表示，IS＝SATnexp(-e/k(T) ……(1)其中，
IS是飽和電流(在一定溫度下從一種材料得到的最大電流)；S為陰極熱電子的發(fā)射面積(cm2)；A為熱電子發(fā)射常數(shù)(A/cm2Kn)(為了使等式中單位一致，方程式中為T(mén)2時(shí)單位常數(shù)為K2或是方程式中為T(mén)n時(shí)單位常數(shù)為Kn)；T為陰極的溫度(K)；e為一個(gè)單位電荷；為功函數(shù)(eV)；以及k為波爾茲曼常數(shù)。
從這個(gè)等式可明顯看出，為了增加飽和電流密度IS，就要有三個(gè)方面的要求(1)增高陰極的溫度，(2)擴(kuò)大熱發(fā)射面積和(3)減小功函數(shù)。
功函數(shù)是由電子發(fā)射材料和制造方法所確定的固有數(shù)值，假定各個(gè)熒光顯示管中三元氧化物(Ba，Sr，Ca)O的工作函數(shù)為9eV，并且為一常數(shù)，則應(yīng)當(dāng)理解增加陰極熱電子的發(fā)射面積S和增加陰極溫度T可以提高陰極的發(fā)射效率。
熱電子發(fā)射面積S可以通過(guò)增加氧化物的覆蓋量來(lái)加寬，也就是說(shuō)，覆蓋的厚度。然而，因?yàn)檠趸锔采w量的增加導(dǎo)致氧化物陰極表面輻射的熱量增加，影響發(fā)射率的溫度可能下降。
一些現(xiàn)有技術(shù)中的出版物揭露了考慮到上述問(wèn)題的技術(shù)。根據(jù)日本專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為No.9-148066所述電子發(fā)射面積與三元氧化物覆蓋的直熱式陰極的表面面積相對(duì)應(yīng)。三元氧化物由鋇，鍶，鈣形成，厚度為6.5到7.5μm，如此以固定的能量消耗和良好的平衡狀態(tài)而獲得一個(gè)很好的發(fā)射率。
日本專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為NO.60-63484公開(kāi)了一種生產(chǎn)純凈氧化物陰極的方法，隨著其顆粒大小(直徑)的減小，其具有更好的發(fā)射特性。這種方法包括以下步驟將碳酸銨鹽的水溶液加入到堿土金屬(例如鋇(Ba)、鍶(Sr)、鈣(Ca))的硝酸鹽溶液中在高速旋轉(zhuǎn)的條件下攪拌發(fā)生反應(yīng)制成堿土金屬碳酸鹽顆?；蛄Ｗ樱挥蓧A土金屬碳酸鹽、粘合劑以及有機(jī)溶劑混合并分散制成電鍍?nèi)芤?；在發(fā)光容器中的放置直熱式陰極，該陰極是由用電鍍?nèi)芤涸阪u(W)核心金屬絲表面上沉積碳酸鹽而制成；然后熱分解由堿土金屬制得的三元碳酸鹽，同時(shí)將容器抽成真空。
近來(lái)為了節(jié)能的需要，而要求減少熒光顯示管的能量消耗。本發(fā)明要解決的問(wèn)題是減少相當(dāng)于熒光顯示管能量消耗50％-70％的直熱式陰極的能量消耗，以及減少應(yīng)用直熱式陰極的熒光顯示管的能量消耗。
本申請(qǐng)的發(fā)明者在減少熒光顯示管的能量消耗方面進(jìn)行了深入地研究。結(jié)果，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)在金屬芯線(xiàn)上均勻地涂覆碳酸鹽細(xì)顆粒能夠減少直熱式陰極的能量消耗。
此外，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)直熱式陰極的能量消耗相當(dāng)于熒光顯示管能量消耗總量的50％-70％，通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明直熱式陰極，能夠減少該能量消耗。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題而提出本發(fā)明。
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種具有良好的發(fā)射特性和能量消耗降低的直熱式氧化物陰極。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種使用上述陰極的熒光顯示管。
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種直熱式氧化物陰極，其中有一個(gè)0.5μm到4.0μm厚的電子發(fā)射材料形成在金屬芯線(xiàn)的表面上。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種直熱式氧化物陰極，其中電子熒光材料的固溶體由平均顆粒大小為0.1μm到2.0μm的氧化物結(jié)晶顆粒構(gòu)成并覆蓋在金屬芯線(xiàn)的表面上。
本發(fā)明又一方面還涉及一種電子發(fā)射材料涂覆在金屬芯線(xiàn)表面上的直熱式氧化物陰極，其中電子熒光材料的固溶體由平均顆粒大小至少為0.1μm到2.0μm的顆粒形成，電子熒光材料的平均厚度為0.5μm到4.0μm。
本發(fā)明更進(jìn)一步的方面還涉及一種電子發(fā)射材料涂覆在金屬芯線(xiàn)的表面上的直熱式氧化物陰極，其中形成電子熒光材料的氧化物結(jié)晶顆粒是由平均顆粒大小至少為0.1μm到2.0μm的碳酸鹽顆粒形成的。
在直熱式氧化物陰極中，其中金屬芯線(xiàn)由鎢金屬芯線(xiàn)或鎢錸金屬芯線(xiàn)形成。
在直熱式氧化物陰極中，其中電子發(fā)射材料包括至少由鋇(Ba)，鍶(Sr)，鈣(Ca)形成的三元氧化物。
在直熱式氧化物陰極中，其中電子發(fā)射材料包括一種下述的三元氧化物，其中鋇(Ba)，鍶(Sr)，鈣(Ca)的重量比至少為Ca∶Sr∶Ba＝(5-25)∶(25-60)∶(30-60)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面還涉及一種熒光顯示管，該熒光顯示管包括本發(fā)明所述直熱式氧化物陰極作為熱離子源。


本發(fā)明的這些和其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特性通過(guò)閱讀下面的描述以及附圖而更加顯而易見(jiàn)。
圖1是使用本發(fā)明一實(shí)施例的直熱式陰極的熒光顯示管的部分放大側(cè)視斷面圖；圖2用于制造本發(fā)明一實(shí)施例的直熱式陰極的電鍍裝置的示意圖；圖3是表示現(xiàn)有技術(shù)中3.0μm碳酸鹽顆粒粘滯性分布直方圖；圖4是表示用于本發(fā)明的2.0μm碳酸鹽顆粒粘滯性分布的直方圖；圖5是表示用于本發(fā)明的0.5μm碳酸鹽顆粒粘滯性分布的直方圖；圖6是表示應(yīng)用本發(fā)明直熱式陰極的熒光顯示管的燈絲能量消耗的曲線(xiàn)圖；圖7是表示為應(yīng)用本發(fā)明直熱式陰極的熒光顯示管的燈絲飽和電流的曲線(xiàn)圖；圖8是表示應(yīng)用本發(fā)明直熱式陰極的熒光顯示管的燈絲飽和電剩余率的曲線(xiàn)圖；圖9是表示應(yīng)用本發(fā)明直熱式陰極的熒光顯示管的燈絲飽和電流剩余率的曲線(xiàn)圖；圖10是本發(fā)明中覆蓋有2.5μm厚的0.5μm顆粒涂層的直熱式陰極的照片(×1000)；圖11是本發(fā)明中覆蓋有2.5μm厚的0.5μm顆粒涂層的直熱式陰極的照片(×3000)；圖12是本發(fā)明中覆蓋有4μm厚的0.5μm顆粒涂層的直熱式陰極的照片(×1000)；圖13是本發(fā)明中覆蓋有4μm厚的0.5μm顆粒涂層的直熱式陰極的照片(×3000)；圖14是本發(fā)明中覆蓋有4μm厚的2.0μm顆粒涂層的直熱式陰極的照片(×1000)；圖15是本發(fā)明中覆蓋有6.5μm厚的2.0μm顆粒涂層的直熱式陰極的照片(×3000)；
圖16是本發(fā)明中覆蓋有6.5μm厚的3.0μm顆粒涂層的直熱式陰極的照片(×1000)；圖17是本發(fā)明中覆蓋有6.5μm厚的3.0μm顆粒涂層的直熱式陰極的照片(×3000)；圖18是覆蓋有單層0.5m厚碳酸鹽的金屬芯線(xiàn)的橫截面圖；圖19是覆蓋有多層2.0μm厚碳酸鹽的金屬芯線(xiàn)的橫截面圖；圖20是覆蓋有單層3.0μm厚碳酸鹽的金屬芯線(xiàn)的橫截面圖；圖21是覆蓋有多層3.0μm厚碳酸鹽的金屬芯線(xiàn)的橫截面圖；圖22是是一個(gè)安裝有常規(guī)直熱式陰極的熒光顯示管部分?jǐn)嗔训钠拭鎴D；以及圖23是一個(gè)安裝有常規(guī)的直熱式陰極的熒光顯示管的部分放大的截面圖；具體實(shí)施方式
為了制造燈絲，首先，使丙烯酸的有機(jī)粘合劑和堿土金屬碳酸鹽(Ba，Sr，Ca)CO3一起電鍍?cè)谥睆綖?到41μm鎢金屬芯線(xiàn)上。
當(dāng)把精制的Ba(NO3)2，Sr(NO3)2，Ca(NO3)2的混合溶液加入到Na2CO3或(NH4)CO3混合溶液中時(shí)，發(fā)生例如如下的反應(yīng)……(2)通過(guò)該反應(yīng)，產(chǎn)生了白色的(Ba，Sr，Ca)CO3碳酸鹽沉淀物，用溫水充分中洗沉淀物就可以獲得碳酸鹽。
在熒光顯示管組裝過(guò)程中抽空步驟將要結(jié)束時(shí)，碳酸鹽在真空中電加熱到大約1000℃。從而，使有機(jī)粘合劑分解后蒸發(fā)，同時(shí)通過(guò)下面的反應(yīng)熱分解為氧化物。
……(3)此時(shí)，在鎢金屬芯線(xiàn)作為基底金屬時(shí)，由于下面的反應(yīng)發(fā)生而使部分BaO分子還原。
……(4)從而，產(chǎn)生了游離的Ba原子并作為電子發(fā)射源起作用。
化學(xué)反應(yīng)(4)發(fā)生在金屬芯線(xiàn)與BaO之間的界面上，從而，BaO還原產(chǎn)生了游離的Ba原子。發(fā)明人假定Ba原子作為電子發(fā)射源起作用，而密集地沉積在細(xì)鎢絲表面的三元碳酸鹽甚至在覆蓋量非常小時(shí)，也能夠提供充分的電子發(fā)射率。此外，假定由于厚的三元碳酸鹽而使游離的Ba原子能減少直熱式陰極的能量消耗。
另外發(fā)明人還假定，沉積在金屬芯上的三元碳酸鹽即使在覆蓋量小時(shí)也能夠提供充分的電子發(fā)射率。增加覆蓋的氧化物的量造成從氧化物表面輻射的熱量減少，從而可以使制造的直熱式陰極具有低能量消耗。
3.0μm大小的(Ba，Sr，Ca)顆粒(D90＝8.22，D50＝3.00，D10＝1.15)，2.0μm大小的(Ba，Sr，Ca)顆粒(D90＝5.62，D50＝2.00，D10＝0.20)，0.5μm大小的(Ba，Sr，Ca)顆粒(D90＝2.322，D50＝0.50，D10＝0.04)(Ba，Sr，Ca)，作為三元碳酸鹽應(yīng)用于直熱式陰極。由三元碳酸鹽，丙烯酸樹(shù)脂粘合劑，和酮或酒精溶劑混合制成電子沉積溶液。
至于3.0μm大小的(Ba，Sr，Ca)顆粒(D90＝8.22，D50＝3.00，D1 0＝1.15)，顆粒大小(直徑)不超過(guò)1.15μm的占總數(shù)的10％，顆粒大小(直徑)不超過(guò)3.00μm的占總數(shù)的50％，顆粒大小(直徑)不超過(guò)8.22μm的占總數(shù)的90％，平均顆粒大小為3.0μm(圖3中所示為3.0μm大小的顆粒的顆粒大小分布)。
至于2.0μm大小的顆粒(D90＝5.62，D50＝2.00，D10＝0.20)，顆粒大小(直徑)不超過(guò)0.2μm的占總數(shù)的10％，顆粒大小(直徑)不超過(guò)2.0μm的占總數(shù)的50％，顆粒大小(直徑)不超過(guò)5.62μm的占總數(shù)的90％，平均顆粒大小為2.0μm(圖4中所示2.0μm大小的顆粒的顆粒大小分布)。
至于0.5μm大小的顆粒(D90＝2.322，D50＝0.5，D10＝0.04)，顆粒大小(直徑)不超過(guò)0.04μm的占總數(shù)的10％，顆粒大小(直徑)不超過(guò)0.50μm的占總數(shù)的50％，顆粒大小(直徑)不超過(guò)2.32μm的占總數(shù)的90％，平均顆粒大小為0.5μm(圖5中所示為2.0μm大小的顆粒的顆粒大小分布)。
準(zhǔn)備包含3.0μm大小顆粒的電解溶液、包含2.0μm大小顆粒的電解溶液和包含0.5μm大小顆粒的電解溶液，應(yīng)用這些電解溶液，依據(jù)電泳方法，使三元碳酸鹽以1，2，3，4，5，6，7或8μm的厚度覆蓋在24.5μm直徑的鎢芯部上。從而制成直熱式陰極。
把由此形成的直熱式陰極被置于熒光顯示管中，一邊進(jìn)行抽真空，一邊將每個(gè)直熱式陰極被電加熱到大約1000℃以分解碳酸鹽。從而制造出安裝有直熱式氧化物陰極的熒光顯示管。
接著詳細(xì)描述發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，
碳酸鹽的生產(chǎn)方法由Ca(NO3)24H2O，Sr(NO3)2，以及Ba(NO3)2組成的原料重量是當(dāng)該原料經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為CaCO3，SrCO3，BaCO3時(shí)獲得的，其重量比為CaCO3∶SrCO3∶BaCO3＝(5-25)∶(25-60)∶(30-60)。
在水中攪拌硝酸鹽(鹽)使其溶解，過(guò)濾掉固體材料，由此只留下水溶液。
此外，在水中攪拌(NH4)CO3H2O材料使其溶解，過(guò)濾掉固體材料，由此得到水溶液。
堿土金屬硝酸鹽水溶液和銨碳酸鹽水溶液在以高速的1000轉(zhuǎn)/每分鐘或更快的速度下攪拌混合而起反應(yīng)。從而制成一種堿土金屬碳酸鹽(三元碳酸鹽)，反應(yīng)在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行是為了阻礙晶體生長(zhǎng)而形成微小的晶體。然后對(duì)三元碳酸鹽進(jìn)行漂洗，脫水和風(fēng)干。從而制成了純凈的三元碳酸鹽顆粒。
粘合劑的生產(chǎn)方法粘合劑增加電鍍后三元碳酸鹽的粘合強(qiáng)度。丙烯酸樹(shù)脂和纖維素酯可用作粘合劑。在本發(fā)明中使用的是丙烯酸樹(shù)脂。例如，通過(guò)混合并干燥AcrypetVH(由Mitsubishi Rayon Co.，Ltd.生產(chǎn))以及Acrypet VHK(由Mitsubishi RayonCo.，Ltd.生產(chǎn))，然后將該混合物溶解在丙酮中來(lái)制成粘合劑。
電鍍?nèi)芤旱纳a(chǎn)方法通過(guò)混合碳酸鹽、粘合劑、丙酮、和異丙醇制備濃縮液并儲(chǔ)存，在使用中，將粘合劑與一種溶劑混合，例如丙酮，甲基異丙醇或者異丙醇混合生成電鍍?nèi)芤?。從而制備成電鍍?nèi)芤骸?br> 所得不同含量的電鍍?nèi)芤航?jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)地混合在一起，產(chǎn)生比重為0.8-0.9的電鍍?nèi)芤骸?br> 電鍍方法如圖2所示，將電鍍?nèi)芤?1放在電鍍池中。將正直流電壓加到電鍍?nèi)芤?1上，而將負(fù)直流電壓加到細(xì)鎢絲5上。這個(gè)結(jié)構(gòu)連續(xù)地通過(guò)電鍍?nèi)芤?1。如圖18-21所示，基于電泳原理，三元氧化物和粘合劑都能電鍍?cè)阪u芯線(xiàn)51的表面上。附圖標(biāo)號(hào)8為一加熱器，附圖標(biāo)記9為一線(xiàn)軸。
用泵循環(huán)溶液池70中的電鍍?nèi)芤?1，并使之分散，從而均一地電鍍到鎢芯線(xiàn)51上。
裝配方法鎢芯線(xiàn)51作為陰極，三元碳酸鹽52和粘合劑電鍍?cè)阪u芯線(xiàn)51上，從而鎢芯線(xiàn)51能夠與熒光顯示管中的絲狀固定片和燈絲支持體牢固地粘結(jié)，并隨之拉緊。
其后，將這個(gè)容器抽成真空。
在抽空的最后階段，在對(duì)容器抽真空的同時(shí)將陰極電壓加到陰極上以加熱鎢芯線(xiàn)。
如此，沉積在鎢芯線(xiàn)表面上的三元碳酸鹽熱分解，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)(3)產(chǎn)生了氧化物和二氧化碳，而二氧化碳?xì)怏w被抽出。Ba，Sr和Ca的氧化物覆蓋在細(xì)鎢絲的表面上。粘合劑通過(guò)熱分解轉(zhuǎn)化為二氧化碳?xì)怏w而被抽出。
使用三種類(lèi)型的、包含3.0μm大小的三元碳酸鹽顆粒，2.0μm大小的三元碳酸鹽顆粒，0.5μm大小的三元碳酸鹽顆粒的電鍍?nèi)芤?，?zhǔn)備好直熱式陰極后，用電泳方法使氧化物以0.5，1，2，3，4，5，6，7或8μm厚度覆蓋在各鎢金屬線(xiàn)上。
至于3.0μm大小的顆粒，因?yàn)轭w粒大小(直徑)不超過(guò)1.15μm的占總數(shù)的10％，因此能夠?qū)㈦娮影l(fā)射材料層的厚度設(shè)定到1.15μm，至于2.0μm大小的顆粒，因?yàn)轭w粒大小(直徑)不超過(guò)0.2μm的占總數(shù)的10％，因此能夠?qū)㈦娮影l(fā)射材料層的厚度設(shè)定到0.2μm，至于0.5μm大小的顆粒，因?yàn)轭w粒大小(直徑)不超過(guò)0.04μm的占總數(shù)的10％，因此能夠?qū)㈦娮影l(fā)射材料層的厚度設(shè)定到0.04μm。
按照如下方法制造和評(píng)價(jià)安裝有上述已制造的直熱式陰極的熒光顯示管除了直熱式陰極，對(duì)其它元件施加相同的條件。用于熒光物質(zhì)層的熒光物質(zhì)是ZnO:Zn，以進(jìn)行低速電子束掃描。布置多個(gè)圓形模式，每個(gè)直徑為4.0mm。
直熱式陰極能量消耗的測(cè)量圖6是表示燈絲能量消耗與碳酸鹽薄膜厚度的關(guān)系圖。在圖6中，把一電壓加到燈絲兩端上，使直熱式陰極的表面溫度維持在645℃，陰極燈絲上覆蓋有于均顆粒大小為0.5μm大小的碳酸鹽顆粒。這時(shí)，檢測(cè)燈絲的電流值。
圖6表示能量消耗的增加量與覆蓋在細(xì)鎢絲上的三元碳酸鹽厚度成比例。
業(yè)已確定，碳酸鹽越薄，能量消耗越低。
通過(guò)將鎢芯線(xiàn)放在包含有3.0μm大小的三元碳酸鹽顆粒的電鍍?nèi)芤褐羞M(jìn)行電泳時(shí)，制造的各直熱式陰極被覆蓋的氧化物厚度為0.5，1，2，3，4，5，6，7或8μm。在該情況下，厚度不超過(guò)1.15μm的氧化物可覆蓋在鎢絲上。然而，3.0μm或以下厚度的氧化物不能均一地覆蓋在鎢絲上。
當(dāng)把一電壓加到燈絲兩端上使直熱式陰極的表面溫度維持在645℃時(shí)，檢測(cè)燈絲電流值。由此獲得燈絲能量消耗量。如圖6所示，直到顆粒大小到達(dá)3.0μm時(shí)，檢測(cè)結(jié)果與使用覆蓋有0.5μm大小顆粒氧化物的直熱式陰極的熒光顯示管的的燈絲能量消耗特性類(lèi)似。
通過(guò)將鎢芯線(xiàn)放在包含有2.0μm大小的三元碳酸鹽顆粒的電鍍?nèi)芤褐袑?shí)施電泳，所制造出的直熱式陰極被覆蓋的氧化物厚度為0.5，1，2，3，4，5，6，7或8μm。然而，當(dāng)氧化物厚度為2.0μm或以下時(shí)，該氧化物不能均一地覆蓋在鎢絲上。
當(dāng)把一電壓加到燈絲兩端上使直熱式陰極的表面溫度維持在645℃時(shí)，檢測(cè)燈絲電流值。由此可以測(cè)得燈絲能量消耗量。如圖6所示，直到顆粒大小到達(dá)2μm時(shí)，檢測(cè)結(jié)果與使用覆蓋有0.5μm大小顆粒氧化物的直熱式陰極的熒光顯示管的的燈絲能量消耗特性類(lèi)似。
飽和燈絲電流的測(cè)量對(duì)于同樣的試樣，直熱式陰極的表面溫度維持在337℃。燈絲電流維持在一固定值。各個(gè)柵極電壓和陽(yáng)極電壓分別為100VDC。脈沖寬度為100μS。暫載率Du為1/300。在這種條件下，飽和燈絲電流測(cè)量值如圖7所示。
當(dāng)為3.0μm大小的三元氧化物顆粒(A)時(shí)，厚度為4μm的三元氧化物薄膜的飽和燈絲電流降低到大約為6.5-7.5μm厚的三元氧化物薄膜的飽和燈絲電流的85％或更少。三元氧化物薄膜為3μm厚時(shí)的飽和燈絲電流降低為大約77％或更少，三元氧化物薄膜為2μm厚時(shí)的飽和燈絲電流降低為大約50％或更少。因此，三元氧化物薄膜為4.0μm厚或更少時(shí)不能投入到實(shí)際中應(yīng)用。
當(dāng)為2.0μm大小的三元氧化物顆粒(B)為時(shí)，三元氧化物平均為3μm厚時(shí)的飽和燈絲電流大約為三元氧化物為6.5-7.5μm厚時(shí)的飽和燈絲電流的100％，三元氧化物平均為2μm厚時(shí)的飽和燈絲電流降低為大約77％或更少，當(dāng)三元氧化物薄膜平均為2μm厚或更少時(shí)難以投入到實(shí)際中應(yīng)用。然而，三元氧化物薄膜平均為3μm厚或更多時(shí)則能夠投入到實(shí)際中應(yīng)用。
當(dāng)為0.5μm大小的三元氧化物顆粒(C)時(shí)，三元氧化物為4μm厚時(shí)的飽和燈絲電流大約為三元氧化物為6.5-7.5μm厚時(shí)的飽和燈絲電流的100％，三元氧化物為2μm厚時(shí)的飽和燈絲電流是三元氧化物為6.5-7.5μm厚時(shí)的飽和燈絲電流的100％，三元氧化物到1μm厚時(shí)的飽和燈絲電流為92％。然而，通過(guò)參照如圖9顯示的飽和電流剩余比率特性，對(duì)比現(xiàn)有的熒光顯示管而言，在薄膜厚度為1.0μm時(shí)，可以得到預(yù)期的良好的飽和燈絲電流剩余比率特性。
如上所描述，更細(xì)的碳酸鹽顆?？梢愿芗爻恋碓阪u金屬線(xiàn)上以及能夠提供充分的飽和燈絲電流。因此，可以確定三元碳酸鹽可以稀薄地覆蓋。
安裝在熒光顯示管中的直熱式陰極，每個(gè)都覆蓋有準(zhǔn)備好的碳酸鹽。碳酸鹽的平均顆粒大小為0.5μm、2.0μm或者3.0μm，碳酸鹽覆蓋的厚度為0.5μm、1.0μm、2.0μm、3.0μm或者4.0μm。每個(gè)直熱式陰極表面溫度維持在377C，燈絲電流維持在一個(gè)固定值，每個(gè)柵極電壓和陽(yáng)極電壓設(shè)定為100VDC。脈沖寬度設(shè)為100μS。暫載率Du設(shè)為1/300。在這種條件下，檢測(cè)燈絲電流值。圖8是與每個(gè)發(fā)光陰極覆蓋8.0μm厚的碳酸鹽層的熒光顯示管的燈絲電流相比的燈絲電流測(cè)量值的曲線(xiàn)圖。
因此，減小碳酸鹽顆粒的平均顆粒大小可以使碳酸鹽顆粒更密集地沉淀在鎢芯線(xiàn)上以及能夠提供充分的飽和燈絲電流。熒光顯示管的使用壽命取決于與最初亮度相比的發(fā)光剩余率。然而，因?yàn)闊晒怙@示管使用壽命很大程度上取決于熒光顯示管中直熱式陰極的飽和電流剩余率，因此，可以預(yù)期比現(xiàn)有技術(shù)有更長(zhǎng)的使用壽命。
因此，三元氧化物薄膜可以做得很薄?？梢源_定的是當(dāng)顆粒平均大小超過(guò)3.0μm時(shí)，碳酸鹽層不能做得很薄。
飽和電流剩余率的測(cè)量此外，對(duì)于同一個(gè)試樣，圖9所示為飽和電流剩余率的變化。參照?qǐng)D9，把一個(gè)電壓加到直熱式陰極兩端使其表面溫度達(dá)到645℃。用于發(fā)光物質(zhì)層的發(fā)光物質(zhì)為ZnO:Zn，以進(jìn)行低速電子束掃描。因此，熒光顯示管在模式發(fā)出以1000(cd/m2)進(jìn)行光發(fā)射每個(gè)直徑為4.0mm的圓形的條件下連續(xù)發(fā)射1000小時(shí)。
曲線(xiàn)圖(A)顯示了當(dāng)使用傳統(tǒng)的直熱式陰極的熒光顯示管連續(xù)發(fā)光1000小時(shí)時(shí)，每一單位時(shí)間內(nèi)飽和電流值與初始飽和電流的比率(每個(gè)直熱式陰極覆蓋有8.0μm厚大小為3.0μm的顆粒)曲線(xiàn)圖(B)顯示了當(dāng)使用本發(fā)明的直熱式陰極的熒光顯示管連續(xù)發(fā)光1000小時(shí)，在每一單位時(shí)間內(nèi)飽和電流值與初始飽和電流的比率(每個(gè)直熱式陰極覆蓋有3μm厚大小為2.0μm的顆粒)。
曲線(xiàn)圖(C)顯示了當(dāng)使用本發(fā)明的直熱式陰極的熒光顯示管連續(xù)發(fā)光1000小時(shí)時(shí)，在每一單位時(shí)間內(nèi)飽和電流值與初始飽和電流的比(每個(gè)直熱式陰極覆蓋有1μm厚大小為0.5μm的顆粒)。
這些曲線(xiàn)圖表明，直熱式陰極上所覆蓋的密集或是稀薄的電子發(fā)射材料都可以提供一個(gè)很好的飽和電流比率。
熒光顯示管的有效壽命決定于相對(duì)于初始的亮度的亮度剩余比率。熒光顯示管直熱式陰極的飽和電流剩余比率為有效壽命的一個(gè)要素。因此，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，可以預(yù)期它的有效壽命更長(zhǎng)。
本發(fā)明中覆蓋在直熱式陰極鎢芯線(xiàn)上的三元碳酸鹽的狀態(tài)可以在電子顯微鏡下觀察到。
圖10所示為在直徑大小為24.5μm的鎢芯線(xiàn)上覆蓋有平均2.5μm厚的顆粒大小為0.5μm的電子發(fā)射材料的SEM圖象(放大1000倍的電子顯微圖)。
圖11所示為在直徑大小為24.5μm的鎢芯線(xiàn)上覆蓋有平均2.5μm厚的顆粒大小為0.5μm的電子發(fā)射材料的SEM圖象(放大3000倍的電子顯微圖)。
這些顯微圖表明電子發(fā)射材料均勻地覆蓋。
圖18為顯示上述狀態(tài)的方案圖，假定覆蓋在鎢芯線(xiàn)上的三元碳酸鹽提供大的接觸區(qū)域以及有效地發(fā)射電子。圖18所示為單一的三元碳酸鹽層。然而，可以推測(cè)多個(gè)三元碳酸鹽層可以更加有效地發(fā)射電子。
圖12所示為在直徑大小為24.5μm的鎢芯線(xiàn)上覆蓋有平均4.0μm厚的顆粒大小為0.5μm的電子發(fā)射材料的SEM圖象(放大1000倍的電子顯微圖)。
圖13所示為在直徑大小為24.5μm的鎢芯線(xiàn)上覆蓋有平均4.0μm厚的顆粒大小為0.5μm的電子發(fā)射材料的SEM圖象(放大3000倍的電子顯微圖)。顯微圖表明電子發(fā)射材料均勻地覆蓋。
雖然當(dāng)時(shí)還沒(méi)有用于上述狀態(tài)的方案圖，但可以推測(cè)覆蓋在鎢芯線(xiàn)(如圖18所示)上的三元碳酸鹽提供大的接觸區(qū)域以及有效地發(fā)射電子。
圖14所示為在直徑大小為24.5μm的鎢金屬芯線(xiàn)上覆蓋有平均4.0μm厚的顆粒大小為2.0μm的電子發(fā)射材料的SEM圖象(放大1000倍的電子顯微圖)。
圖15所示為在直徑大小為24.5μm的鎢金屬芯線(xiàn)上覆蓋有平均4.0μm厚的顆粒大小為2.0μm的電子發(fā)射材料的SEM圖象(放大3000倍的電子顯微圖)。
SEM圖象(放大1000倍的電子顯微圖)顯示出發(fā)射材料非常粗糙的表面。在SEM圖象(放大3000倍的電子顯微圖)中，大顆粒的突出部分以及凹陷部分都充滿(mǎn)了微細(xì)的電子發(fā)射材料。
圖19為上述狀態(tài)的方案圖，相對(duì)于圖18所示的0.5μm大小的顆粒，三元碳酸鹽變得粗糙?？梢酝茰y(cè)覆蓋在鎢芯線(xiàn)上的三元碳酸鹽提供大的接觸區(qū)域以及有效地發(fā)射電子。
圖16所示為在直徑大小為24.5μm的鎢金屬芯線(xiàn)上覆蓋有平均6.5μm厚的顆粒大小為3.0μm的常規(guī)的電子發(fā)射材料的SEM圖象(放大1000倍的電子顯微圖)。
圖17所示為在直徑大小為24.5μm的鎢金屬芯線(xiàn)上覆蓋有平均6.5μm厚的顆粒大小為3.0μm的常規(guī)的電子發(fā)射材料的SEM圖象(放大3000倍的電子顯微圖)。
如圖20所示，顆粒大小為3.0μm的單層三元碳酸鹽與鎢芯線(xiàn)的接觸面積變得更小。然而，如圖21所示，在采用多層結(jié)構(gòu)的情況下，甚至顆粒大小為3.0μm的三元碳酸鹽都能夠均勻地覆蓋。
如上所述，減小三元碳酸鹽顆粒的平均顆粒大小可以使三元碳酸鹽均勻地覆蓋在鎢芯線(xiàn)上。因此，可以獲得低能量消耗的直熱式陰極。
此外，應(yīng)用該直熱式陰極的熒光顯示管的能量消耗也能夠減少。
與顆粒大小為6.5-7.5μm的常規(guī)碳酸鹽相比較，3.0μm厚的電子發(fā)射材料層能將陰極能量消耗減少到70％，2.0μm厚的電子發(fā)射材料層能將陰極能量消耗減少到60％以及1.0μm厚的電子發(fā)射材料層能將陰極能量消耗減少到50％。
通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明的直熱式陰極，能夠減少熒光顯示管的能量消耗，對(duì)目前節(jié)能的趨勢(shì)作出很大的貢獻(xiàn)。
此外，減小覆蓋的碳酸鹽顆粒大小的次要效果為在分解碳酸鹽的過(guò)程中所產(chǎn)生的氣體(例如CO2)減少了。這有利于增加熒光顯示管內(nèi)部的真空度以及大大的提高了熒光顯示管的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種在金屬芯線(xiàn)表面上形成有電子發(fā)射材料的直熱式氧化物陰極，其特征在于電子發(fā)射材料的厚度為0.5μm到4.0μm。
2.一種在金屬芯線(xiàn)表面上覆蓋有電子發(fā)射材料的直熱式氧化物陰極，其特征在于電子發(fā)射材料是由平均結(jié)晶顆粒大小至少為0.1-2.0μm氧化物結(jié)晶顆粒構(gòu)成的固溶體。
3.一種在金屬芯線(xiàn)表面上覆蓋有電子發(fā)射材料的直熱式氧化物陰極，其特征在于電子發(fā)射材料是由平均顆粒大小至少為0.1-2.0μm氧化物結(jié)晶顆粒構(gòu)成的固溶體，所述電子發(fā)射材料的平均厚度為0.5μm到4.0μm。
4.一種在金屬芯線(xiàn)表面上覆蓋有電子發(fā)射材料的直熱式氧化物陰極，其特征在于電子發(fā)射材料由氧化物結(jié)晶顆粒形成，所述氧化物結(jié)晶顆粒由平均顆粒大小至少為0.1-2.0μm的碳酸鹽顆粒構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1-4中任意一個(gè)所述直熱式氧化物陰極，其特征在于所述的金屬芯線(xiàn)包括鎢芯絲或錸鎢芯線(xiàn)。
6.如權(quán)利要求1-5中任意一個(gè)所述直熱式氧化物陰極，其特征在于所述的電子發(fā)射材料包括由至少鋇、鍶、鈣形成的三元氧化物。
7.如權(quán)利要求1-6中任意一個(gè)所述直熱式氧化物陰極，其特征在于所述的電子發(fā)射材料由三元氧化物構(gòu)成，其三元氧化物鋇(Ba)，鍶(Sr)，鈣(Ca)的重量比至少為Ca∶Sr∶Ba＝(5-25)∶(25-60)∶(30-60)。
8.一種包括以權(quán)利要求1-7中任意一個(gè)所述的直熱式氧化物陰極作為熱離子源的熒光顯示管。
全文摘要
一種直熱式氧化物陰極和一種應(yīng)用該氧化物陰極的熒光顯示管，該陰極在工作狀態(tài)下能以低能量消耗工作。在直熱式陰極中，平均顆粒大小為0.1μm到2.0μm的堿土金屬氧化物以0.5μm到4.0μm的厚度覆蓋在金屬芯線(xiàn)表面上。這個(gè)結(jié)構(gòu)可以減少直熱式陰極的能量消耗。安裝在熒光顯示管中的直熱式陰極可以減少熒光顯示管的能量消耗。
文檔編號(hào)H01J1/13GK1421891SQ02160218
公開(kāi)日2003年6月4日 申請(qǐng)日期2002年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月15日
發(fā)明者加藤雅弘, 山田智宏 申請(qǐng)人:雙葉電子工業(yè)株式會(huì)社