背景技术
自从Wehnelt氏于1904年提出碱土类氧化物可作为有效的热电子
发射阴极后，氧化物阴极的特性即被广泛地加以研究，并被实际地应用至许多产
业，作为热电子阴极使用。
以阴极射线管工业中所采用的热电子阴极为例，主要包括氧化物阴极、含浸
式阴极及钪酸盐阴极等三种，其中由于氧化物阴极的材料成本较低，加工容易，
且特性稳定，至今仍是业界最广泛应用的热电子发射源。
参阅第1图所示，传统上，在制作氧化物阴极时，是在一镍合金基材1(含1
0ppm以下的还原剂，如：Mg、Si、Al)上喷涂碳酸盐2(如：BaCO3、
SrCO3、CaCO3)材料；然后，利用一加热元件3于真空中对该镍合金基
材进行加热，其加热温度约800℃左右，以使碳酸盐分解成氧化钡(氧化锶、
氧化钙)及二氧化碳，且令部份的氧化钡与镍合金基材中的还原剂发生反应，产
生游离钡，如此，即可制作出氧化物阴极。在此传统的氧化物阴极中，氧化锶及
氧化钙等两种成份，主要是在束缚该游离钡，以免其过度蒸发损耗。
针对此种传统的氧化物阴极，Beynar与Nikonor曾提出所谓的
钡单原子层模式，并利用下列的Richardson公式，估算出热电子的发
射效率：
J＝AT2exp(-eψ/KT)，ψ＝ψ0+αT (1)
其中，A＝120.4A/cm2K2；ψ为功函数；ψ0为00K时的功函数；α为温度系数。
并通过掺杂碱土金属，以降低功函数ψ，提升热电子的发射效率。
另，针对传统氧化物阴极的热电子发射效率，Loosjer与Vink经长
期研究及实验后。认为该氧化物阴极中氧化物层的多孔性，对导电度所造成的影
响应，是影响热电子发射效率的一重要因素。
此外，Rutter氏于1979年发现于氧化物阴极的基材上镀镍，Sa
ito于1986及1996年分别发现于氧化物阴极中掺杂氧化钪，及于镍合
金基材上溅镀钨膜，均可改善热阴极的特性，此等发现对氧化物阴极特性的研究
改良，具有极为重大的意义。
近年来，由于消费者对于投影电视系统画质及亮度的要求，有愈来愈高的趋
势，故如何制作出的价廉物美、画面清晰且高亮度的投影电视系统，乃目前各大
投影电视系统的制造业者，极欲达成的一重要目标。影响投影电视系统画质及亮
度的因素固然很多，但是，在阴极射线管的投影电视系统上，用以产生红色调、
绿色调及蓝色调影像的三个单色阴极射线管上所呈现的影像画质及亮度，将直接
或间接影响着投影电视系统的画质及亮度。
为解决传统投影电视系统上的画质及亮度不足的问题，传统阴极射线管投影
电视系统的设计及制造业者，均是通过增大施加在各单色阴极射线管的电子流发
射源(如阴极)上的电流，令其产生高能量的电子束，以有效增加各单色阴极射
线管的屏幕上所呈现的影像亮度，进而改善投影电视上所呈现的影像亮度及彩
度，其主要缺陷在于：
在各单色阴极射线管的单一电子流发射源上施加大电流，却令所产生的单一
电子束中电子数量遽增，导致因电荷相互排斥的作用，而发生电子束断面积沿各
单色阴极射线管的屏幕方向发生逐渐扩大，甚至发生光晕恶化的现象。此一现象，
虽可通过调整各单色阴极射线管的电子枪中聚焦透镜或共同透镜的设计，或通过
加大或加深各单色阴极射线管的管颈内径，获致些许改善，但却大幅增加了生产
成本及制程的复杂度。
因此，如何通过设计出一创新的氧化物阴极，以在不需大幅增加生产成本及
改变设备制程的情形下，生产出高画质及高亮度的阴极射线管，即为本发明在此
欲探讨的重要课题。
具体实施方式
本发明是一种微粒化的氧化物阴极的制法，主要是利用奈米研磨技术，将用
以制造氧化物阴极的阴极材料进行微粒化研磨，令其颗粒的平均粒径由传统的微
米级(2.0μm)降至本发明的次微米级(0.09-1.0μm左右)，再将其涂布(c
oating)至一阴极基材上，并在真空中对其进行加热，制作成本发明的微
粒化的氧化物阴极，以大幅增加该氧化物阴极表面的热电子发射面积及其氧化物
层的多孔性对导电度的影响，有效改善氧化物阴极的热电子发射特性。
参阅图2所示，众所周知，目前应用在阴极射线管上的传统氧化物阴极，主要
是由含碳酸盐(如：BaCO3、SrCO3、CaCO3)的阴极材料制成，该阴
极材料颗粒的平均粒径，约在数微米左右，由图2所示的传统阴极材料颗粒的实
测粒径分布图可知，其粒径分布值约在1.18～6.03μm(D5～D95)间，其平均
粒径在2.6μm左右(D50)，分布差为4.85μm(D95-D5＝4.85μm)。
根据Loosjer及Vink的理论，电子云气在氧化物层的细孔中，可因
外加电场，令热电子加速撞击氧化物分子，产生二次电子发射，而提高其电流密度。
基于此一论点，本发明人将阴极材料粉末或颗粒的粒径缩小多数倍后，令氧化物阴
极结构中的气孔细密度提高多数倍，进而有效提高二次电子的产生机制。
针对氧化物层的气孔模型，至今尚未有与实物最接近的理论，本发明人认为，
在概念上通过采用颗粒排列的理论，一窥气孔密度的提升状况。根据颗粒排列理
论，设多数个颗粒的粒径为d的阴极材料颗粒，被堆叠在直径为D，高度为h的
体积中，则每8个颗粒可形成一组气孔，并可用下列公式推估其气孔数Nporosity为：
N porosity = 1 / 8 × - - - - 4 / 3 π d 2 1 / 4 π D 2 h = 3 / 128 × D 2 h / d 2 - - - ( 2 ) ]]>
由公式(2)可知，当阴极材料的颗粒的粒径d缩小时，气孔数Nporosity会随之
增加，二次电子的发射效能会随之提高。
此外，由于阴极材料中的碳酸盐成份将在阴极活性化过程中，因受热而分解，
或与基材中的还原金属发生反应，释放出二氧化碳，依下列公式所示：
此时，抽气台车必需即时将二氧化碳抽出，否则，局部二氧化碳的分压太高，
将产生低共融点化合物(Eutectic Compound)2BaCO3：
BaO，结果将使阴极涂布层熔融(Fuse)，并令其结晶变大，而所形成的低
共融点物质，不仅会使阴极氧化物的涂布产生烧结及融熔，亦会令其气孔性变差，
内阻增大，导致电流通过时会产生压降，令有效外加电场变弱，造成电子发射效
能偏低。因此，欲有效改善此一问题，应通过提高氧化物阴极的气孔性，以提高
二氧碳(CO2)的排出几率。
图3所示为大颗粒的粒径的排气效果，图4所示的小颗粒的粒径的排气效果为
佳。通过增加阴极的氧化层气孔数，对热阴极的反应机制有极为正面的助益。
本发明人将传统粒径的阴极材料粉末或颗粒，由原先的粒径2.6μm，通过
奈米粉体的研磨技术，研磨至0.09-1.0μm左右(D50)，粒径差为0.25-0.
55μm(D95-D5)，其中呈实体颗粒者(Solid Content)仍维持在
25-55％，并通过实验，观察其光电特性，以选定所需的颗粒的粒径。
在本发明的较佳实施例中，发明人所选定的一种颗粒的粒径(平均粒径约在
0.455μm左右)为例，分析说明如后：
参阅图5所示，为本发明研磨后的实测粒径分布图，研磨后的阴极颗粒是分布
在0.278-0.740μm(D5-D95)间，平均粒径约在0.455μm左右(D50)
粒径分布差为0.462μm(D95-D5＝0.462μm)，其中呈实体颗粒者(So
lid Content)仍维持在40％左右。
发明人在比较了研磨前(传统阴极材料)及研磨后的阴极材料颗粒的粒径，
如下表1所示：
表1
粒径
研磨前μm
研磨后μm
颗粒的平均粒径(D50)
2.6
0.455
最小粒径(D5)
1.18
0.278
最大粒径(D95)
6.03
0.740
粒径差(D95-D5)
4.85
0.462
其主要的不同点：
1、由平均粒径大小比较：研磨前的传统阴极材料颗粒，是研磨后的5.7倍
左右，此由公式(2)可计算出，由研磨后的阴极材料所制成的氧化物阴极的气
孔数为传统氧化物阴极的185倍(5.73＝185)；
2、由分布的粒径差比较：研磨前的传统阴极材料颗粒的粒径差为4.85μ
m，为研磨后的粒径差0.462μm的10.5倍左右，由于研磨后的颗粒的粒
径大幅变小，且粒径分布又较为集中，因此，将该研磨后的阴极材料喷涂至阴极
基材表面后，所形成的氧化物阴极将具有较平坦的表面，参阅图7所示；更优于
传统氧化物阴极，参阅图6所示。
在较佳实施例中，该微粒化的氧化物阴极的制程，至少包含下列步骤：
(1)利用奈米粉体的研磨技术，将用以制造氧化物阴极的阴极材料，进行微
粒化研磨，令其颗粒的平均粒径被微粒化至约0.455μm左右(D50)；此仅
为本发明的实施例，本发明所主张的并不局限于此，凡将传统阴极材料颗粒的平
均粒径，以奈米粉体的研磨技术，研磨至次微米级(0.09-1.0μm左右)，均
属于本发明所称的微粒化阴极材料；
(2)参阅图8所示，再将该微粒化的阴极材料11均匀地涂布至一基材12上；
(3)再利用一加热元件13，在真空中，对该基材12进行加热，即可制作
出本发明的微粒化的氧化物阴极10。
参阅图9-图12所示，在本发明的其它实施例中，亦可依实际需求，将上述已
被微粒化的至少一种阴极材料21，及至少一种传统粒径(平均粒径至少为1.7μ
m)的阴极材料22，依一预定的顺序，逐一均匀地涂布至一基材23上，以形
成多层次结构设计的氧化物阴极，通过不同的阴极材料特性，有效改善氧化物阴
极的热电子发射效率。在该等实施例中所制成的氧化物阴极，至少包含下列四种
结构特征：
1、参阅图9所示，是在该基材23上，先均匀地涂布一层传统粒径的阴极材
料22，再于该传统粒径的阴极材料22上均匀地涂布一层微粒化的阴极材料
21，以形成至少两层阴极材料的氧化物阴极20。
2、参阅图10所示，是在该基材23上先均匀地涂布一层传统粒径的阴极材料
22，再于该传统粒径的阴极材料22上均匀地涂布一层微粒化的阴极材料21，
再于该微粒化的阴极材料21上均匀地涂布一层传统粒径的阴极材料22，以形成
至少三层阴极材料的氧化物阴极30。
3、参阅图11所示，是在该基材23上，先均匀地涂布一层微粒化的阴极材料
21，再于该微粒化的阴极材料21上均匀地涂布一层传统粒径的阴极材料22，
以形成至少两层阴极材料的氧化物阴极40。
4、参阅图12所示，是在该基材23上，先均匀地涂布一层微粒化的阴极材料
21，再于该微粒化的阴极材料21上均匀地涂布一层传统粒径的阴极材料22，再
于该传统粒径的阴极材料22上均匀地涂布另一层微粒化的阴极材料21，以形成
至少三层阴极材料的氧化物阴极50。
当然，本发明实际实施时，并不局限于单层、双层或三层的结构，凡将本发
明的上述结构作其它等效的排列组合，所形成的多层阴极材料结构的氧化物阴
极，均属于本发明的微粒化氧化物阴极。
参阅图13-图17所示，在本发明的其它实施例中，亦可依实际需求，将上述已
被微粒化的至少一种阴极材料，掺杂入传统粒径的阴极材料，形成掺杂粒径的阴
极材料53，参阅图13所示；再将该掺杂粒径的阴极材料53均匀地涂布至一基
材54上，以形成单层阴极材料的氧化物阴极60，或依一预定的顺序，将该掺
杂粒径的阴极材料53及传统粒径的阴极材料52(或微粒化的阴极材料51)均
匀地涂布至该基材54上，形成至少两层(或至少三层)阴极材料的氧化物阴极
70、80、90、100，参阅图14、15、16和17所示，通过不同的阴极材料
特性，有效改善该氧化物阴极的热电子发射效率及密度。
在上述较佳实施例中，本发明将含有碳酸盐(BaCO3、SrCO3、
CaCO3)的阴极材料，以奈米研磨加工技术，进行微粒化研磨，使其颗粒的粒径缩小
至平均粒径约在0.455μm左右，粒径分布差为0.462μm，再通过实验，
观察所制成的氧化物阴极的电子发射效能，结果发现：经微粒化处理后的氧化物
阴极，其电子发射效能可媲美氧化钪阴极，甚至有些制程上的品质控制，更优于
传统氧化物阴极或氧化钪阴极。
本发明通过上述研磨前后的阴极材料粉末或颗粒，分别制作出三组试验用阴
极，其中：
第一组试验用阴极是在该基材上，先均匀地涂布一层厚度为hr的传统粒径
(研磨前)的阴极材料，再于该传统粒径的阴极材料上均匀地涂布一层厚度为h
n的微粒化(研磨后)的阴极材料，形成至少两层阴极材料的结构；
第二组试验用阴极是在该基材上，均匀地涂布一层厚度为hn的微粒化(研
磨后)的阴极材料，形成单层阴极材料的结构；
第三组试验用阴极是在该基材上，均匀地涂布一层厚度为hr的传统粒径(研
磨前)的阴极材料，形成单层阴极材料的结构(传统阴极)。
各组试验用阴极的规格如下表2所示：
表2
厚度
第一组
第二组
第三组
hn
10μm
35μm
0
hr
60μm
0
70μm
将上述各组试验用阴极分别安装至一电子枪，并将各该电子枪分别封人一彩
色阴极射线管后，依序对各该阴极射线管进行下列的光电特性检测：
(1)阴极电子发射状态检测(Cathode Condition)：
简称为CC检测，是利用电子枪透镜放大原理，通过调整阴极的电流，来观
察阴极表面的处理品质，若阴极的除气效果不佳，则会令影象呈黑斑点分布，或
呈现局部阴黑等现象。将上述安装有上述各组试验用阴极的电子枪，分别封入一
15寸彩色阴极射线管，并对其进行CC检测：
参阅图18-图20所示，为安装有第二组试验用阴极(hn＝35μm)的彩色阴极
射线管的CC检测结果；
参阅图21-图23所示，为安装有第三组试验用阴极(hr＝70μm)的彩色阴极
射线管的CC检测结果；
通过相比较，显然以第二组彩色阴极射线管为最佳，其CC检测结果是呈稳
定的电子场发射状况，再将第一组与第三组彩色阴极射线管相比较，二者的CC
检测结果则相当。由此可知，第二组试验用阴极仅需以传统的制程时效处理条件，
即可制作出具有良好CC检测结果的阴极射线管。
(2)最大阴极电流(Maximum Cathode Current)：
又称MIK检测，是用以判定阴极时效处理的良劣、气毒状况及阴极发射电流
的能力，将安装有上述各组试验用阴极的FS型(Flat Square Type)
电子枪，分别封入一17寸彩色阴极射线管，并对其进行MIK检测，检测结果如
下表3所示：
表3
第一组μA
第二组μA
第三组μA
R
2760
2870
2680
G
2760
2870
2850
B
2625
2890
2790
最大差
35
20
170
从上表3的检测结果可知：
①第二组试验用阴极(hn＝35μm)较第三组试验用阴极(hr＝70μm)，在
R、G、B三枪的最大阴极电流上，提升了约0.7-7.1％。
②由上表3所示可知，第二组试验用阴极中的R、G、B三枪的最大差为20
μA，显然较传统第三组试验用阴极的三枪差值170μA，要小很多，此一检
测结果显示：在同一生产制程条件下，微粒化后的阴极在时效处理的一致性上会
较佳。
③使用第一组试验用阴极的三枪与第三组试验用阴极，无明显差异。
下面将安装有上述各组试验用阴极的F型(Flat Type)电子枪，分别封
入一17寸彩色阴极射线管，并对其进行MIK检测，检测结果如下表4所示：
表4
第一组μA
第二组μA
第三组μA
R
1073
1128
895
G
988
1088
875
B
955
1065
1005
最大差
118
63
130
从上表4的检测结果可知：
①第二组试验用阴极(hn＝35μm)较第三组试验用阴极(hr＝70μm)，在
R、G、B三枪的最大阴极电流上，提升了约6.0-26.0％。
②由上表4所示可知，第二组试验用阴极中的R、G、B三枪的最大差为63
μA，显然较传统第三组试验用阴极的三枪差值130μA，要小很多，此一检
测结果显示：在同一生产制程条件下，微粒化后的阴极在时效处理的一致性上会
较佳。
(3)最大阴极电流比值ψMIK：
最大阴极电流比值ψ的定义，如下列公式所示：
ψMIK＝MIK实测/MIK理论×100％ (4)
其数值一般均要求大于83％。
本发明人将上述各组试验用的SRF型(Superior Real Fla
t Type)电子枪，分别封入一17寸彩色阴极射线管，并对其进行ψMIK比
值检测，结果如下表5所示。
表5
第一组
第二组
第三组
第二组提升率
R
96
99
95
+4.2％
G
98
99
8797.7
+2.1％
B
97
100
84.298
+2.0％
从表5可见：
①第一组试验用阴极(hn＝10μm，hr＝60μm)与第三组试验用阴极(hr＝70
μm)的最大阴极电流发射率相当接近，并无显着的提升效果。
②第二组试验用阴极(hn＝35μm)则在R，G，B三枪上分别有2.0％～4.
2％的提升率。
同样地，发明人将安装有上述各组试验用阴极的SRF型电子枪，分别封入
一17寸彩色阴极射线管，并对其进行ψMIK比值检测，检测结果见下表6：
表6
第一组
第二组
第三组
第二组提升率
R
89.9
96.1
84.4
13.7％
G
88.8
91.5
87.7
4.3％
B
90.0
92.4
84.2
9.7％
从表5可见：
不仅第二组试验用阴极(hn＝35μm)在R，G，B三枪上分别有4.3-13.7％
的提升率，第一组试验用阴极在R，G，B三枪上亦有一定程度的提升率。
(4)阴极热应变(Thermal Ik)：
参阅图24所示，此项测试的目的是用评估阴极电流随时间变化的稳定性，以
避免色纯发生变化，由图24所示的热应变检测结果可知：微粒化的第二组试验用
阴极，其变化率于10分钟即趋向稳定，且在规格范围内。
(5)其它阴极现试：
利用其它阴极检测，例如：阴极截止电压(COEK，cut-off pot
ential Voltage)、截止电压比(RCOEK)及阴极电流上升
时间(EWT，emission warm up time)等检测，其结果
显示第二组试验用阴极均保持在规格内的正常分布。
据上所述可知，氧化物阴极的颗粒，由传统平均粒径，以奈米研磨技术研磨
至0.09-1.0μm的平均粒径后，将其涂布至阴极基材上，或将其掺杂入传统粒径
的阴极材料，再涂布至阴极基材上，均可有效提升其电流发射能力，令所产生的
电子束较不易发生光晕拖尾(halo)现象，且微粒化后的阴极，不仅其真空
除气及耐气毒能力相对提高外，由于其表面平坦度随之提高，亦将令电子枪在电
子束成形区(beam form region)的预聚焦(pre-focus)
能力较好，此对于画质的Focus及Moire不仅具有明显的改善效果，亦
可有效提高电子枪或阴极射线管的产品优良率。
此外，尤其值得一提的是：本发明将微粒化的阴极应用至电子枪或阴极射线
管时，并无需对其设备或制程作特别修正或改造，即能制作出媲美传统价格昂贵
的氧化钪阴极的高电流发射密度及电子发射效能，并在制程及品质控制上，具有
优于传统氧化物阴极或氧化钒阴极的特色。
以上所述，仅为本发明的最佳的实施例，本发明的构造特征并不局限于此，
任何熟悉该项技艺者，在本发明领域内，可轻易思及的变化或修饰，皆涵盖在本
发明的保护范围之内。