음극선관

<시간 />

배경

종종 CRT라고 하는 음극선관은 전자빔이 인광 뷰잉 스크린에 집속되고 위치와 강도가 빠르게 변화하여 이미지를 생성할 수 있는 전자 디스플레이 장치입니다. 아마도 음극선관의 가장 잘 알려진 응용은 텔레비전의 그림관일 것입니다. 다른 응용 프로그램에는 오실로스코프, 레이더 화면, 컴퓨터 모니터 및 비행 시뮬레이터에서의 사용이 포함됩니다.

음극선관은 1897년 스트라스부르의 페르디난드 브라운이 당시 프랑스-독일 알자스-로렌 지역에서 개발했습니다. 전기 신호를 보고 측정하는 오실로스코프로 처음 사용되었습니다. 1908년 A.A. 영국의 Campbell-Swinton은 CRT를 사용하여 전자적으로 이미지를 보내고 받을 것을 제안했습니다. 그러나 1920년대가 되어서야 최초의 실용적인 텔레비전 시스템이 개발되었습니다. 컬러 음극선관의 개념은 1938년에 제안되었고 1949년에 성공적으로 개발되었습니다.

General Electric은 1928년에 가정용으로 첫 번째 텔레비전 세트를 출시했지만 상업용 텔레비전 방송은 제한된 범위와 시청자에게만 실험적인 기술로 남아 있었습니다. 1940년대 후반까지 텔레비전 네트워크가 소비자 판매 붐을 일으키기에 충분할 정도로 자리를 잡았습니다. 흑백 텔레비전 세트는 1960년대에 최초의 컬러 세트로 바뀌었습니다. 이후 수십 년 동안 제조업체가 소비자의 요구를 만족시키려 함에 따라 텔레비전용 음극선관은 점점 더 커지고 작아졌습니다. 최근 개발에는 더 나은 보기를 위해 더 평평한 면, 더 날카로운 모서리 및 더 높은 해상도를 가진 튜브가 포함되었습니다.

CRT는 전자총 어셈블리, 형광체 관찰 표면 및 유리 외피의 세 가지 기본 부분으로 구성됩니다. 전자총 어셈블리는 금속 양극으로 둘러싸인 가열된 금속 음극으로 구성됩니다. 음극에는 음의 전압이, 양극에는 양의 전압이 공급됩니다. 음극의 전자는 양극의 작은 구멍을 통해 흘러 전자빔을 생성합니다. 전자총에는 전자빔을 가속, 집중 및 편향시키는 전기 코일 또는 플레이트가 포함되어 있어 표면 상단에서 시작하여 아래로 내려가는 빠른 좌우 스캐닝 동작으로 형광체 관찰 표면을 공격합니다. 형광체 관찰 표면은 전자빔에 부딪힐 때 가시광선을 방출하는 물질의 얇은 층입니다. 형광체의 화학 성분은 흰색, 파란색, 노란색, 녹색 또는 빨간색을 생성하도록 변경될 수 있습니다. 유리 봉투는 비교적 평평한 전면판, 깔때기 부분 및 목 부분으로 구성됩니다. 형광체 관찰 표면은 유리 면판 내부에 증착되고 전자총 어셈블리는 반대쪽 끝의 유리 목에 밀봉됩니다. 깔때기의 목적은 전면 판에서 적절한 거리에 전자총을 배치하고 유리 봉투를 함께 유지하여 완성된 튜브 내부에서 진공이 달성될 수 있도록 하는 것입니다.

컬러 텔레비전이나 컬러 컴퓨터 모니터에 사용되는 CRT에는 몇 가지 추가 부품이 있습니다. 전자총 1개 대신 3개가 있습니다. 하나는 빨간색 신호용, 하나는 파란색용, 하나는 녹색용입니다. 또한 관찰 표면에 사용된 세 가지 다른 형광체 재료가 있습니다. 다시 한 번 각 색상에 대해 하나씩입니다. 이 형광체는 화면 전체에 걸쳐 빨간색, 파란색, 녹색, 빨간색, 파란색, 녹색 등의 반복 패턴으로 매우 작은 점 형태로 증착됩니다. 컬러 CRT의 핵심은 섀도우 마스크로 알려진 구멍이 뚫린 금속 조각으로, 전자총과 보기 화면 사이에 배치됩니다. 섀도우 마스크의 천공은 빨간색 총이 빨간색을 생성하는 형광체 점에서만 전자를 발사할 수 있도록 정렬되어 있고 파란색 총은 파란색 점에서, 녹색 총은 녹색 점에서 발사할 수 있습니다. 화면을 가로질러 스캔할 때 각 색상에 대한 빔의 강도를 제어하여 화면의 다른 영역에서 다른 색상을 생성하여 컬러 이미지를 생성할 수 있습니다. 구멍과 점이 얼마나 작아야 하는지에 대한 아이디어를 제공하기 위해 25인치(63cm) 컬러 텔레비전 영상관에는 500,000개의 구멍과 150만 개의 개별 형광체 점이 있는 섀도우 마스크가 있을 수 있습니다.

디자인

전자총은 각각의 새로운 응용 분야에 맞게 설계되어야 합니다. 새로운 화면 크기, 새로운 전체 유리 봉투 치수 및 새로운 이미지 해상도 요구 사항은 모두 새로운 총기 디자인을 필요로 합니다. 더 밝은 이미지에는 더 높은 전력의 가속 코일이 필요할 수 있습니다. 더 나은 이미지 해상도를 위해서는 향상된 빔 포커싱 코일 또는 플레이트가 필요할 수 있습니다. 기본 디자인은 그대로 유지하면서 세부 사항은 지속적으로 개선됩니다.

마찬가지로 형광체 관찰 표면의 기본 디자인은 상당히 잘 정의되어 있지만 세부 사항은 변경될 수 있습니다. 새로운 이미지 해상도 요구 사항은 전면판에 형광체 점을 증착하는 새로운 방법을 요구할 수 있으며, 이에 따라 새로운 재료 처리 기술이 필요할 수 있습니다. 보다 정확한 색상을 검색하면 새로운 재료 공식이 생성될 수 있습니다. 인광체가 전자빔에 부딪힌 후 빛 또는 글로우를 방출하는 시간도 중요하며 인광체의 화학적 조성에 의해 제어됩니다. 이 속성을 지속성이라고 합니다. 컬러 텔레비전에서 전자빔은 화면을 초당 25번 스캔합니다. 지속 시간이 1/25초(0.04초)보다 길면 이미지가 동시에 두 개의 스캔을 표시하고 흐릿하게 나타납니다. 지속 시간이 이 시간보다 짧으면 첫 번째 스캔의 이미지가 두 번째 스캔이 시작되기 전에 사라지고 이미지가 깜박이는 것처럼 보입니다.

유리 봉투조차도 광범위한 디자인이 필요합니다. 강도, 방사선 흡수 특성, 온도 내성, 내충격성, 유전 특성 및 광학적 투명도는 유리 부품을 설계할 때 사용되는 설계 기준 중 일부입니다. 컴퓨터는 복잡한 외피 모양의 응력을 평가하기 위해 유한 요소 분석을 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 이 기술은 부품을 더 작고 더 쉽게 정의할 수 있는 유한한 수의 조각 또는 요소로 나눈 다음 각 요소에 대한 계산을 수행하여 허용할 수 없을 정도로 높은 응력 집중도를 찾아냅니다. 컴퓨터를 사용하여 만족스러운 디자인이 얻어질 때까지 윤곽 치수와 벽 두께를 쉽게 조정할 수 있습니다.

원자재

음극선관은 흥미롭고 다양한 원료 조합을 사용합니다. 많은 경우 완제품의 성능 특성을 결정하는 것은 설계나 제조 공정이 아니라 원자재입니다.

전자총은 다양한 금속 조각으로 만들어집니다. 음극 또는 전자 방출기는 세슘 합금으로 만들어집니다. 세슘은 가열되거나 빛에 부딪힐 때 쉽게 전자를 방출하기 때문에 많은 전자 진공관 장치에서 음극으로 사용됩니다. CRT에서 음극은 고저항 전선으로 가열됩니다. 가속, 집속, 편향 코일은 직경이 작은 구리선으로 만들 수 있습니다. 유리관은 전자총 어셈블리의 후면에서 돌출되어 있으며 완성된 CRT에서 공기를 배출하는 데 사용됩니다.

형광체 관찰 표면은 단색 CRT에서 단일 재료의 연속 층으로 형성되거나 컬러 CRT에서 세 가지 다른 재료의 개별 도트로 구성됩니다. 황화아연은 일반적인 형광체 재료입니다. 활성제라고 하는 극소량의 물질을 첨가하여 색상을 결정합니다. 은 활성화제가 0.01% 포함된 황화아연은 청색광을 방출합니다. 0.001% 구리 활성제를 사용하면 녹색 빛이 발생합니다. 0.005% 은 활성화제와 황화아연 및 황화카드뮴의 50/50 혼합물은 황색광을 생성합니다. 적색광은 황화아연에 은 또는 구리를 첨가하여 생성할 수 있습니다. CRT는 전자총 어셈블리, 형광체 관찰 표면 및 유리 외피의 세 가지 기본 부분으로 구성됩니다. 전자총 어셈블리는 금속 양극으로 둘러싸인 가열된 금속 음극으로 구성됩니다. 형광체 관찰 표면은 전자빔에 부딪힐 때 가시광선을 방출하는 물질의 얇은 층입니다. 유리 봉투는 상대적으로 쥐 면판, 깔때기 부분 및 목 부분으로 구성됩니다. 높은 비율의 카드뮴 황화물. 형광체는 일반적으로 면판 내부에 적용되기 전에 미세한 분말로 분쇄됩니다.

유리 봉투는 세 가지 구성 요소 각각에 대해 약간 다른 원료를 사용합니다. 모든 유리 구성 요소의 기본 원료는 실리카입니다. 용융 유리를 형성할 때 용융 유리의 유동 특성을 조정하기 위해 알루미나가 첨가될 수 있다. 용융 온도를 낮추기 위해 다양한 산화물이 사용됩니다. 산화 바륨, 산화 스트론튬 및 산화 납은 목과 깔때기에 방사선 보호를 제공하는 데 사용됩니다. 반면에 전면판에는 전자 또는 X선 갈변으로 알려진 변색 현상을 방지하기 위해 최소한의 산화납이 있어야 합니다. 네오디뮴 산화물은 보이는 그림의 대비를 향상시키기 위해 전면판에 사용할 수 있습니다.

컬러 CRT에서 섀도우 마스크는 일반적으로 니켈 합금의 얇은 시트로 만들어집니다.

제조
프로세스

유리 외피 또는 그 구성 요소는 일반적으로 유리 제조 시설에서 형성되어 형광체 관찰 화면을 형성하고 전자총을 제작 및 조립하고 완성된 CRT를 조립하는 음극선관 제조업체로 배송됩니다.

유리 봉투 형성

<울>

1 유리 성분의 무게를 측정하고 용융 전에 혼합합니다. 유리는 크기가 약 500-3,000평방피트(46-279평방미터)인 가스 가열로에서 녹습니다. 이것이 연속 공정인 경우 용융 유리가 용광로에서 성형 영역으로 흘러갈 때 일정한 수준을 유지하기 위해 새로운 성분이 추가됩니다. 성형 전에 용융 유리는 약간 냉각되어야 하고 전체 온도가 균일해야 합니다.

2 면판은 일반적으로 용융 유리 덩어리를 금형에 떨어뜨리고 플런저로 덩어리를 눌러 원하는 모양으로 누릅니다. 깔때기는 프레스 또는 원심 주조에 의해 형성될 수 있습니다. 주조 방법에서는 용융 유리 덩어리가 주형에 떨어집니다. 그러면 주형은 빠르게 회전하여 주형 내부 표면에 유리를 균일하게 퍼뜨립니다. 몰드 상단 근처의 홈이 있는 디스크는 과도한 유리를 쉽게 제거할 수 있도록 원하는 높이로 부드러운 유리를 절단합니다. 넥은 유리관으로 만들어졌으며 한쪽 끝은 전자총의 삽입을 용이하게 하기 위해 벌려져 있습니다.

3 단색 CRT에서 세 개의 유리 구성요소는 CRT 제조업체로 배송되기 전에 함께 결합됩니다. 컬러 CRT에서는 넥과 깔때기만 결합되며 추가 처리를 위해 전면 플레이트가 별도로 배송됩니다. 유리 구성 요소는 일반적으로 결합 표면을 가스 제트 또는 전기 히터로 고온으로 가열하여 결합됩니다.

형광체 적용

<울>

4 단색 CRT에서 형광체 관찰 표면은 유리 전면판 내부에 코팅됩니다. 이것은 형광체의 액체 현탁액을 준비하고 측정된 양을 겔화제와 함께 유리 봉투의 목에 붓는 방식으로 수행됩니다. 약 20분 후 코팅이 경화되고 과잉 액체가 쏟아집니다. 컬러 CRT의 프로세스는 더 복잡합니다. 먼저 섀도우 마스크는 얇은 마스크 재료에 감광성 코팅을 적용하고 천공된 템플릿을 통해 빛에 노출시킨 다음 노출된 코팅을 산으로 에칭하여 수백만 개의 구멍을 형성하여 만듭니다. 그런 다음 마스크를 약간 구부러진 모양으로 눌러 페이스 플레이트 바로 뒤에 부착합니다. 면판을 원심분리기에 넣고 내부 표면을 녹색 형광체 재료로 코팅합니다. 원심분리기는 면판을 회전시켜 형광체의 균일한 코팅을 보장합니다. 마스크를 통해 강한 자외선을 조사하여 녹색 형광체 물질을 수십만 개의 점으로 경화시킵니다. 그런 다음 나머지 재료를 씻어냅니다. 이 과정을 반복하여 적색과 청색 형광체 도트를 형성하며, 매번 자외선이 조금씩 이동합니다. 이 과정이 끝나면 유리 면판이 깔때기에 결합됩니다. 컬러 튜브에서 형광체 도트는 고온에 민감하므로 고온 가스 제트를 사용하는 대신 프릿이라고 하는 분말 유리와 화학 용매의 혼합물을 접합부에 적용합니다. 이것은 유리 "납땜"과 같은 역할을 하며 조인트는 훨씬 낮은 온도에서 밀봉될 수 있습니다.

전자총 조립

<울>

5 전자총의 금속 부품은 정밀하게 형성되어 있습니다. 코일을 사용하는 경우 가는 구리선으로 감습니다. 일부 전자총은 코일 대신 금속판을 사용하며, 이러한 판을 각인하여 성형합니다. 구성 요소는 깨끗한 환경에서 손으로 또는 자동화된 기계로 조립됩니다. 유리관은 베이스에 밀봉되고 베이스는 총 어셈블리에 용접됩니다.

최종 조립 및 포장

<울>

6 유리봉투 넥 내부를 흑연으로 윤활하고 전자총을 삽입하여 정렬한다. 그런 다음 목이 총 주위에 밀봉됩니다. 건 후면에서 연장된 유리관에 진공 펌프를 부착하고 CRT 내부를 공기로 빼낸다. 적절한 진공이 이루어지면 유리관이 가열되고 빠르게 조여서 밀봉을 형성합니다.

7 완성된 CRT는 성능 테스트를 거쳐 손상을 방지하기 위해 주의 깊게 포장됩니다. CRT는 고진공 상태에 있기 때문에 유리 외피가 파손되면 내파로 알려진 내부 폭발이 발생할 수 있습니다.

품질 관리

음극선관의 작동 원리는 간단하지만 제조 공정은 엄격한 제어와 정밀한 정렬이 필요합니다. 원하는 색상을 얻으려면 형광체 재료가 극도로 순수해야 합니다. 사용된 활성제의 양에 약간의 차이가 있어도 색상이 크게 변할 수 있습니다. 마찬가지로, 컬러 텔레비전 CRT가 시청 표면에 100만 개 이상의 작은 점을 나란히 배치해야 한다는 점을 고려할 때 작은 정렬 오류라도 재앙이 될 수 있습니다.

부산물 및 재활용

CRT 제조의 주요 부산물은 스크랩 유리입니다. 이 유리의 대부분은 재활용됩니다. 높은 함량의 산화납을 함유한 재활용 유리는 CRT 깔때기에서 방사선 보호를 제공하는 데 사용되며 이 응용 분야에서 이전의 산화납 공급원을 완전히 대체했습니다.

미래

음극선관의 세계 시장은 1994년에 거의 4억대로 추산되었으며 2000년까지 연간 6%의 성장률을 보일 것으로 예상됩니다. 컬러 텔레비전 시장은 연간 5%의 성장률을 보일 것으로 예상되는 반면, 컬러 컴퓨터는 모니터 시장은 20%의 속도로 성장할 것으로 예상됩니다. 텔레비전 시장에서 더 높은 이미지 해상도를 가진 더 큰 텔레비전 영상관에 대한 수요는 계속될 것으로 예상됩니다.

한 가지 중요한 추세는 스캔 속도가 기존 시스템의 두 배 이상인 HDTV(고화질 텔레비전)의 개발입니다. 이를 위해서는 두 배의 방사율을 처리하기 위해 새로운 전자총 설계와 새로운 유리 재료 및 기술이 필요합니다.