서 론

플라스마 표시 평판장치(Plasma Display Panel: PDP)는 기본적으로 기체방전을 이용한 표시장치이다. 플라스마 표시 평판에 쓰이는 방전기체는 He, Ne, Ar 또는 이들의 혼합기체를 사용하여 바탕기체(buffer gas)를 형성하고, 형광체를 발광시키는 진공자외선의 샘으로 여기에다가 소량의 Xe 기체를 섞는다. 이 때 발생되는 PDP 플라스마는 대기압에 가까운 고압력 글로우 방전이며, 이때의 전자온도는 0.8∼1 eV의 값을 가지며, Ne 및 Xe 이온밀도는 각각 5×10¹⁰ cm^－3 및 4×10¹¹ cm^－3 정도의 값을 가진다. 이들 PDP 플라스마의 이온화율은 보통 바탕기체를 기준으로 하였을 때 약 10^－5 정도의 값을 가진다. 이와 같은 비열(nonthermal) PDP 플라스마의 기본 특성 및 방전현상과 관련된 전기광학 특성은 차세대 PDP에서 요구되는 고휘도 (600 cd/m² 이상), 고효율 (3 ℓm/W 이상), 고정세 (셀피치 0.33 mm 이하)를 실현할 수 있는 50″∼ 70″급의 PDP 패널제작에 필요한 기초 핵심기술이며, 이와 더불어 동작전압 및 전류에 의한 PDP 방전셀의 진공자외선 (VUV) 분포/크기, 유전체의 벽전하/벽전압의 최적화, 그리고 페닝(penning) 기체 최적화 및 방전압력의 결정 역시 55″이상의 PDP 패널제작에 필요한 기초 핵심기술이다.

플라스마 표시장치 안의 각각의 방전 셀(cell)에는 화상을 표시하기 위하여 발광을 수반하는 표시방전과, 이 표시방전을 점등 및 소등하여 제어하는 어드레스( address) 또는 신호 방전이 있다. 플라스마 표시장치는 이들의 방전형태에 따라 직류 (DC) 또는 교류(AC)로 분류한다. 지하철역에서 흔히 볼 수 있는 자동개찰구의 오렌 지색의 표시장치는 DC형이다. AC형 플라스마 표시장치는 대향전극형과 면방전형으로 나뉜다. 1927년 미국의 벨 시스템사의 단색 PDP TV의 개발은 세계최초의 플라스마 표시 장치이며, 이는 1929년에 개발된 CRT TV보다도 2년 정도 역사가 앞선다. 1954년에 직류형 (DC) PDP가 발명되었고, 1964년에 미국 일리노이드대학의 슬로토(Slottow) 및 비츠 (Bitz) 두 교수는 교류(AC) PDP를 발표하였다.^[1] AC PDP가 발명된 이래 약 30 여년이 지난 지금 PDP는 차세대 벽걸이 TV를 목표로 한국, 일본, 더 나아가 전세 계에 붐이 일고 있다. 그러나, 발명된 후의 역사를 보면 1980년 초에서 후반에 이르기 까지 단색 PDP는 지금의 노트북 컴퓨터의 효시라 할 수 있는 랩탑 (Lap-top)에 채용되 어 일시적인 호황을 맞이하였으나, 80년대 말 STN LCD의 노트북 시장 참여로 일시적인 연구개발 중단사태에까지 이르렀었다. 그러나 대형이면서도 컬러화가 가능한 것은 본 질적으로 PDP 밖에는 없다는 결론 하에 90년에 들어와서 일본의 각 사가 컬러 PDP의 연구개발에 전력투구하기 시작하였고, 97년 현재 일본의 대형전자업체인 후지츠(Fujits u), NEC, 미츠비시(Mitsubishi), 파이오니어(Pioneer), 마츠시타(Matsushita)가 파일롯트 라인 및 양산 라인을 투자하기에 이르렀고,^[2] 한국에서도 삼성전관, LG 전자, 대우 오리온전기, 현대전자도 활발히 연구하고 있다. 또한, 이러한 연구개발과 개발비의 투자로 말미암아 한국 및 일본에서는 42″및 50″급의 시제품이 출하되고 있다. 따라서, 지금의 상황은 선발업체의 시생산 및 양산투자, 후발업체의 연구개발에의 집중 및 파일롯트 라인의 투자 단계이고, 현재 42″와이드 TV용이 약 1,000만원 정도로 판매되고 있다. 그러나, 소비자의 입장에서 보면 휘도, 효율, 소비전력, 명암 대비율을 포함하는 성능과 가격에서는 만족스럽지 못한 형편이다. 한편, 기술적인 측면에서는 AC형, DC형 등의 여러 가지의 방식 중 면방전형(Surface Discharge Type)의 AC PDP^[3,4]가 주류를 이루고 있고 각 사 거의 동일한 구조로 연구개발 및 상품화를 진행하고 있다. 그 동안의 연구개발 동향을 보면 발명 당시 AC형과 DC형이 거의 동시에 발명되어 발전되어 오다가 AC형이 우위를 차지하였고, AC형 중에서도 후발의 면방전형(Surface Discharge Type)이 먼저 발명된 대향형(Double Substraste Two Electrode Type)에 비하여 우위를 차지하여 지금에 이르게 되었다. 그러나, 냉정히 평가해보면 PDP 플라스마의 본질에 대해서 학술적으로 논의와 구체적인 검증이 없었다. 다시 말해 글로우 방전영역의 미소방전(Micro discharge) 특성에 대한 이해와 면방전의 본질에 대한 연구는 아직까지 전무한 실정이다. 대형 플라스마 평판 TV의 성능을 개량하기 위해서는 면방전 플라스마의 특성 및 본질에 대한 학문적인 연구활동이 절대적이며, 이에 대한 연구 결과를 기초로 하여 개량형 및 면방전 이외의 고휘도, 고효율 특성을 갖는 기술 혁신적인 전극구조를 개발하여야 한다. 그리고 이와 병행하여 새로운 전극 구조에 적합한 저전압화 혼합기체 및 진공자외선을 많이 내비치는 고효율화 혼합기체의 결정 및 이의 조성/압력, 저전력화 구동회로 기술은 모두 직접적으로 PDP 플라스마의 전기광학 특성을 결정지어주는 중요한 요인이며, 이에 관한 연구는 모두 PDP 플라스마 TV의 핵심원천기술에 속한다. 이번 특집호를 통하여, 미소방전 PDP 플라스마의 특성을 PDP의 구조, PDP 플라스마구동기술 및 제어, PDP의 문제점 및 해결책, PDP 미소 방전 플라스마의 특성, 그리고 PDP의 전망을 곁들어 소개하고자 한다.

AC PDP의 구조

현재 주류를 이루는 면방전 AC PDP의 구조적인 특징을 그림 1에 나타내었다. 이를 살펴보면 전극은 한쪽 유리기판에 마주보고 나란한 표시(sustain/display: X), 주사(scan: Y) 전극을 배치하고 또 다른 한쪽에 신호(address) 전극을 90°교차하여 배치하며 형광막은 반사형으로 채용하고 있다. 우선 아랫면 창유리 기판상에 신호 전극을 설치하고 그 위에 유전층을 도포한다. 그리고 높이 130 Ռm 정도의 격벽(barrier rib)을 설치한 다음 형광체를 격벽과 신호 전극을 덮고 있는 유전체위에 도포한다. 격벽을 따라서 도포된 빨강 (R), 녹색 (G), 파랑 (B)에 해당하는 세 개의 골이 하나의 화소를 이룬다. 한편 전면 기판에는 투명한 방전 표시전극 및 주사전극을 형성한다. 투명전극재료로는 ITO(Indium Tin Oxide)를 사용하며, 전바닥항이 일반 금속보다 100배 정도 높으므로 가시광의 방출이 방해받지 않도록 ITO 양 끝에 버스(bus) 전극을 알루미늄 또는 크롬/구리/크롬 층으로 형성한다. 다음에 PbO 계통의 유전체로 도포하고, 그 표면에 MgO 보호막을 증착한다. MgO 보호막은 PbO 유전층을 이온의 스퍼터링으로부터 보호하여 주며, 또한 PDP 플라스마 방전시 낮은 이온 에너지가 표면에 부딪혔을 때 비교적 높은 이차전자 발생계수의 특성을 가져 방전 플라스마의 구동 및 유지전압을 낮추어주는 중요한 구실을 한다. PDP 내부는 He, Ne, Ar 또는 이들의 혼합체와 Xe의 혼합기체를 사용하여 봉입한다. 이와 같은 구조의 방전 플라스마는 같은 기판상에 설치한 작은 공간인 표시전극(X) 및 주사전극(Y) 사이에 발생하는 것이므로 미소 면방전 플라스마라고 부른다. AC PDP의 미소방전은 유전층으로 덮여진 전극사이에서 일어난다.

AC PDP의 방전현상과 안정적인 구동법을 이해하기 위해서는 유전체의 벽에 쌓인 벽전하 및 벽전압을 정량적으로 측정할 필요가 있다. 미소 면방전 AC PDP 플라스마는 MgO 보호층으로 전하가 이동되어 주어진 교류 펄스와는 반대 부호인 벽전하를 형성하며, 이 벽전하는 다음번 교류 신호와 같은 극성을 갖는 벽전압을 형성하게 된다.^[5-7] 이때 미소 방전전극의 갭(gap) 전위는 외부에서 가해주는 전위와 벽전하에 의한 벽전압의 합으로써 주어지게 되며, 따라서 PDP의 방전 유지전압은 방전 개시 전압보다 작게 된다. 이와 같은 특성을 AC PDP의 동작여유 또는 기억특성이라고 한다. 표시전극과 주사전극의 폭 및 이들 사이의 간격, 유전체의 두께, 격벽의 높이, 동작 기체의 종류 및 조성비, 동작 압력, 구동 펄스의 형태에 따라서 미소 면방전 플라스마의 전기광학 특성이 다르며, 이들을 활용하여 고효율, 고휘도 대형 벽걸이 TV를 개발할 수 있는 것이다.

PDP 플라스마의 구동기술 및 제어

1. AC PDP 단위셀에서의 기억 특성

AC PDP 내에는 패널 크기에 따라 수십에서 수백만개 이상의 셀이 매트릭스(matrix) 구조로 배열되어 있으므로 이를 효율적으로 구동하기 위해서는 단위셀에서 얻어지는 특성을 이해하고 이를 최대한 활용함이 필수적이다. 일반적으로 AC PDP 구동에 사용되는 기억 특성^[8]에 대하여 간단히 살펴보자.

그림 2에 나타낸 단위셀 모식도에서 X 전극과 Y 전극 사이에 방전을 일으키려면 어떤 특정전압 이상의 전위차가 필요한데 이 경계가 되는 전압을 방전개시전압 V_f라 한다. 만일 V_f보다 큰 전압 V₀가 인가되면 방전이 개시되고 방전공간에는 플라스마가 형성되며 이 플라스마 내 공간전하들은 서로 반대극성을 갖는 전극쪽으로 이동하게 되어 전류가 흐르게 된다. 이때 AC PDP에서는 각 전극 위에 유전체가 도포되어 있으므로 이동된 공간전하들은 거의 대부분 유전체 위에 쌓이게 된다. 이들 유전체 위에 쌓인 전하들을 벽전하라 하며 이들에 의해 실제 방전공간상에 유기되는 전압은 V₀ - V_w가 된다. 방전이 지속될수록 벽전하량은 증가하고 따라서 벽전압도 커지게 되므로 방전공간상에 유기되는 전압이 감소하여 결국 방전은 자동적으로 정지하게 된다. 그러나 이 과정에서 형성된 벽전하는 외부 전압이 0이 되더라도 없어지지 않고 그대로 유전체 위에 남아서 벽전하가 없는 셀과 벽전하가 있는 셀간에 큰 차이를 주게된다. 이제 외부전압의 극성을 바꾸어서 XY 전극에 인가한다면 벽전압의 극성과 외부 인가전압의 극성이 일치하게 되므로 종전에 인가했던 V₀보다도 낮은 전압, V_s를 인가하여도 V_s + V_w > V_f의 조건을 만족하기만 하면 방전이 개시될 수 있다. 이때의 전압 V_s를 방전유지 전압이라 한다. 즉 벽전하가 이미 생성되어 있는 경우와 벽전하가 전혀 없는 두 경우에 방전개시를 위한 외부인가 전압의 최소값에 큰 차이가 있게 된다. 이것을 기억 또는 메모리 특성이라 한다.

예를 들어 100개의 셀이 있다고 하자. 이중 40개는 어떤 방법에 의해 내부에 벽전하를 갖고 있고(상태 = '1') 나머지는 벽전하가 거의 없다고(상태 = '0') 하자. 이때 100개의 셀에 동시에 V_s의 전압을 인가하면 벽전하가 있는, 즉 상태 = '1'인 셀들만 점등되며 나머지는 방전개시 조건이 만족되지 않으므로 켜지지 않는다. 따라서 셀들이 아무리 많더라도 AC PDP의 기억 특성을 이용하면 개별구동이 아닌 동시 다중구동이 가능하며, 다만 원하는 위치의 셀에 벽전하를 생성시키거나 소거시키는 작업이 가능하기만 하면 된다. 실제 PDP에서는 벽전하를 형성시키거나 소거시킬 때, 전체 셀들에 대한 액세스(access)가 가능하도록 매트릭스로 배열된 Y 전극과 신호 또는 어드레스 전극 A를 활용하며 유지방전을 위해서는 XY 전극을 활용한다.

2. ADS 구동방식과 계조(gray scale)의 표시

AC-PDP 구동의 기본이 되는 ADS(Address Display-period Separation) 방식을 기초로 하여 전체 패널의 구동이 어떻게 이루어지는지를 구체적으로 알아보도록 하자. 그림 3에 AC PDP의 전극배열 모식도를 나타내었다. Y_n과 X_n으로 표시된 전극들이 주 방전에 사용되는 주사 및 표시전극들이며 A_n으로 표시된 전극들이 어드레스 또는 신호 전극들이다. Y_n 전극들은 특히 어드레싱(addressing)에 사용되므로 주사(scan) 전극이라고도 한다. 이들 각 전극들에 인가되는 전압파형은 그림 4에 표시한 시간 도표(timing chart)에 잘 나타나 있다. 이 과정을 세 개의 단계로 나누어보면 그림 5에서처럼 먼저 전체 셀의 벽전하를 모두 균일하게 소거하여 주는 초기화 단계(reset), 특정 위치의 셀들 내에 벽전하를 형성시키기 위한 쓰기 방전단계(addressing) 그리고 표시(display)를 위한 유지방전(sustain) 등의 3단계로 구분할 수 있다. 즉 어드레싱과 표시를 시간적으로 완벽히 분리하여 AC PDP가 갖는 메모리 특성을 십분 활용하고 있다.

초기화 단계에서는 XY 전극 사이에 V_f보다도 높은 전압을 인가한 모든 면 쓰기와 V_s보다 약간 낮으면서도 긴 펄스를 사용하는 모든 면 지우기가 반복적으로 수행되며 어드레싱 단계에서는 X 전극은 일정 전위를 유지하고 Y_n 전극들과 어드레스 전극들 사이에 각 선별 선택적 쓰기가 진행된다. 이때 각 어드레스 전극의 데이터는 한 Y 전극에 대해서 병렬로 기입된다. 선택적 쓰기가 종료되면 각 XY 전극들에는 공통적으로 V_s의 크기를 갖는 방전 유지 전압 펄스가 교대로 가해지며 펄스의 수는 다음에 설명할 계조 표시를 위하여 차등화 되어있다. 이 과정이 모두 끝나면 다시 초기화 단계로 돌아가 반복 수행된다.

AC PDP에서 계조는 일반 브라운관인 CRT와는 달리 디지털 방식으로 구현된다. CRT는 각 셀에 주사되는 전자빔의 강도를 아날로그적으로 변화시켜서 형광체의 발광 강도를 조절하지만 PDP에서는 방전 유지 펄스의 수를 차등화 함에 의하여 얻어지는데 이를 그림 6에 나타내었다. 256 계조의 구현을 위하여 1 TV 필드(16.7 ms)에 해당하는 시간을 모두 8개의 서브 필드(sub-field)로 구분하고 각 서브 필드 안에서 앞서 설명한 그림 5의 3 단계과정을 수행한다. 이때 각 서브 필드 안의 발광 횟수는 8 비트 (bit)로 차등화 되어있다. 예를 들어 어떤 특정 셀에 발광 휘도를 112 레벨로 하기 위해서는 4, 5, 6번째 서브 필드 (2⁴ + 2⁵ + 2⁶ = 112)에서만 어드레싱을 해주면 되며, 휘도를 최대로 하기 위해선 모든 서브 필드에서 어드레싱을 수행하면 된다. 결국 한 장의 그림을 제대로 구성하기 위해서 8장의 불완전한 그림이 병렬로 합쳐지며 우리의 눈은 잔상 효과로 인하여 이를 구별하지 못한다.

이와 같은 ADS 방식은 현재 AC PDP 구동의 기본이 되고 있으나 그림 6에서 알 수 있듯이 어드레싱에 필요한 시간이 전체 1 TV 필드 시간의 대부분을 차지하므로 표시시간 비율(display duty)이 저하되어 전체 휘도가 감소한다는 단점을 갖고 있다. 이 점을 개선하고자 요사이에는 표시시간 중에 어드레싱을 수행하는 AWD(addressing while display) 방식 및 이들의 변형들이 속속 개발되고 있는 실정이다.

PDP의 문제점 및 해결책

PDP가 벽걸이형 고정세 수상기(HDTV: High Definition TV)로 사용되기 위해서는 해결해야 할 과제가 많다. 대형 고정세 패널의 제조기술의 확보, 휘도 및 효율의 개선, 그리고 소비전력을 낮추는 문제 등이다. 또한 화질을 개선하기 위하여 대조비나 동화상의 화질 개선이 이루어져야 한다. 이러한 제조기술과 화질 등의 문제와 더불어 저 가격화가 관건이다. 제조 기술의 측면에서는 국내 기술수준이 선진국의 수준에 도달하였다. 그러나 PDP의 근본적인 문제들을 해결하기 위해서는 미소 방전 물리의 이해나 PDP와 관련된 전기적·광학적 특성을 이해하고 기초 진단기술의 확보가 선행되어야 한다. 또한 구동회로 기술이나 패널제조 기술로서 대규모 집적(LSI: Large Scale Integration) 기술의 지속적인 개발이 필요하다. 그리고 유전체나 형광체 등의 관련 재료의 연구와 개발도 중요하다.

우리나라가 염두에 두어야 할 또 다른 문제는 선진국의 PDP 관련 기술특허 문제를 극복하는 것이다. 아직까지는 PDP의 시장이 형성되지 않은 단계로서 일본을 위시한 PDP 제조 기술을 보유한 외국에서도 PDP의 시장이 본격화되는 시점을 21C 초반으로 생각하고 있다. 이는 현재의 PDP가 완성된 기술이 아니라는 뜻이기도 하다. 그러나 본격적인 시장이 형성되면 기술특허의 문제가 우리에게는 커다란 장애요인이 될 것이다. 이를 극복하는 길은 우리 고유의 PDP 구조를 창안하는 일이다. 현재와 같은 공면 구조만을 고집할 필요가 없을 것이며, 보다 고효율과 고휘도의 새로운 PDP 구조가 우리의 연구진에서 나와야 할 것임을 전제로 하여 PDP의 주요한 문제점을 살펴본다.

표 1에서 국내의 PDP에 대한 목표와 선진국과의 국내 수준을 비교하였다.^[9] 주요 과제로 휘도와 발광 효율 및 소비 전력에 대한 자료이다. 특히 최근('98. 8)에 후지츠(Fujitsu)사는 공면 전극구조에서 ALiS(Alternate Lighting of Surface)라는 새로운 기술을 발표하여 휘도를 기존의 2배인 500 cd/m²로 높였고, 평균소비 전력을 250 W로 보고하였다. 우리나라도 조만간 이러한 수준에 도달할 것으로 전망한다. 그러나 문제는 우리의 최종목표는 2,000년대 초반의 PDP 시장을 겨냥한 것으로서 휘도가 600 cd/m², 효율이 3.0 ℓm/W 이상이다. 이러한 목표의 달성이 현재의 공면 전극 구조로 가능할 것인지에 대해서 많은 연구가 뒷받침되어야 한다. 후지츠사가 발표한 ALiS 기술이 공면 전극 구조에서의 한계 기술이 아닌지에 대한 검토가 있어야 할 것이다. 지난 10 여년 동안 PDP의 구조에서부터 구동방법에 이르기까지 많은 개량된 형태와 기술이 보고되어 왔다. 이러한 추세 속에서 차세대의 새로운 형태의 PDP가 반드시 출현될 것이다.

PDP가 안고있는 저효율과 저휘도, 그리고 높은 소비전력 문제들의 원인은 표 2와 같이 분석되고 있다.^[10] 표 2와 같이 PDP 효율이 형광 램프에 비해서 극히 낮은 것은 발광효율이 방전 셀의 크기에 비례하기 때문이다. 예를 들어 직경 3 mm의 Xe 방전관이 약 30 ℓm/W 라면, 0.1 mm 크기의 방전관 효율은 1/30 배로 낮아져서 약 1 ℓm/W가 된다. 또한 수은(Hg)을 사용하는 직경 3 cm의 형광등의 경우 효율이 약 80 ℓm/W나, 이를 0.1 mm 크기로 줄이면 마찬가지로 효율은 1/100로 낮아진다. 특히 형광등에서는 수은으로부터 254 nm의 파장이 긴 진공 자외선과 양광주를 사용하기 때문에 유리한 면이 있다. 그러나 수은은 열을 가하여 기화하는데 일반 형광등에서는 약 40 ℃ 정도가 필요하지만 증기압에 따라서 더 큰 온도가 요구되며 수 100 torr의 압력에서는 100 ℃ 이상의 온도가 필요하여 PDP에서는 Hg의 사용이 어려운 것으로 판명되었다. 또한 양광주는 셀의 크기가 큰 경우에 나타나는 것으로서 PDP와 같이 수 100 Ռm의 크기에서는 음극 전자발광(negative glow) 영역만 얻어진다.

이러한 문제점에도 불구하고 PDP 나름대로의 장점과 단점이 있다. PDP의 주요 경쟁 대상을 브라운관이라면 브라운관의 부피나 중량을 감안할 때 40인치의 경우 약 100 kg의 중량을 갖게되어 대화면이 불가능하다. 즉, PDP의 장점은 저중량의 평판형 대화면화에 있다. 그 외에는 브라운관에 비하여 효율이나 화질면에서 불리하다. 브라운관의 경우 효율이 대개 10 lm/W이다. 브라운관은 고속전자(30 keV)로 형광체를 들뜨게 하지만 PDP는 불과 수eV의 에너지를 갖는 자외선으로 형광체를 들뜨게 하기 때문에 Ռsec 이하의 시간동안 고속전자에 의한 형광체의 들뜸 시간은 충분하지만 자외선에 의한 형광체의 들뜸이 충분할 수 없다. 발광 방식도 브라운관은 점순차 발광에 점순차 어드레스이나 PDP는 전면 동시 발광에 선순차 어드레스 방식을 취하기 때문에 신호처리와 구동회로가 복잡하다.

이와 같이 플라스마를 이용한 발광 방식은 방전셀의 고정세화에 한계가 있다. 즉, 소비전력이 방전 셀의 수에 비례하고, 플라스마의 하전입자의 확산 손실이 방전 셀의 크기에 반비례하여 고정세화에 따른 발광효율의 저하가 불가피하게 된다. 또한 격벽과 전극의 폭 및 셀 피치 등이 고정세화에 한계가 있고 이로 인하여 방전 공간과 개구율이 저하되기 때문에 효율과 휘도가 감소한다. 그 외에도 고정세화는 인쇄법 이외의 다른 공정이 불가능하기 때문에 이로 인한 공정상의 대체 기술에도 한계가 있다. 휘도의 측면에서는 방전 전류에 비례하여 휘도가 증가하지만 어느 전류 값에서는 포화된다. 즉, 발광효율과 휘도가 전류 증가에 대하여 서로 상반된 현상을 보인다. 전류 증가로 휘도는 증가하지만 발광효율은 낮아진다. 이러한 휘도의 방전 전류에 대한 포화현상은 두 가지로 설명된다. 전류 증가에 대한 진공 자외선의 포화(VUV Saturation) 혹은 트래핑(VUV trapping) 현상이다. PDP에서 주로 사용되는 147 nm Xe 공명선은 형광체 도달 과정에서 Xe 자체의 흡수와 방사를 되풀이한다. 그 과정에서 전류의 증가는 전자들이 들뜬 Xe을 전리하여 공명선의 손실과 공명선의 Xe 원자 자체의 흡수현상을 증대하여 자외선 방출량을 포화시킨다. 그리고 자외선에 대한 형광체 발광 강도의 포화 현상이 있다. 이는 공명선의 형광체 흡수는 자외선의 강도에 비례하지만 어느 이상의 강도에서는 포화된다.

위와 같은 내용들이 PDP가 안고있는 해결하기 어려운 문제점들이다. 이들의 각각에 대한 문제의 해결이 PDP의 효율과 휘도를 높이는 관건이 될 것이다. 따라서 그 해결책을 정리하면 다음과 같다. 첫째, 입력 전력이 방전 전력으로 변환 과정에서 30 %의 회로 손실을 줄이는 문제이다. 이는 전력 회수율을 높이는 것과 구동 회로의 기술 개발 및 개선이 될 것이다. 둘째, 방전 전력을 효과적으로 사용하여 자외선 발생량을 최적화이다. 이 문제는 표 2와 같이 방전 전력의 불과 2 %만이 자외선 발생에 사용되며 98 %가 손실이다. 이 부분의 개선은 플라스마의 발생을 최적화 하는 일이다. 이는 1차적으로 전기장의 형성이 방전 공간에 잘 형성되도록 하는 것이다. 높은 전기장이 방전 공간에 만들어져서 낮은 전압으로 플라스마가 만들어지도록 하는 것은 기초 방전 현상과 전극의 구조의 연구에 해당한다. 최근에 후지츠에서 발표한 ALiS 기법도 엄격히 분석해 보면 이러한 전기장의 활용을 방전 화소에 최적화하는 방식이다. 특히 전극의 구조는 방전셀의 구조와 함께 대전입자의 손실을 최소화하는 구조를 고려해야 한다. 그리고 방전을 용이하게 하는 요인은 전기장 이외에 전극에 도포된 재료에서 2차 전자 방출 계수가 높은 유전체와 보호막 재료에 대한 연구와 개발이 필요하다. 그리고 저전류 영역에서 전자의 밀도나 전자의 온도를 높이는 방법에 대한 연구이다. 이는 가스의 조성 등과도 연관이 있을 것이다. 즉, 기체의 종류, 압력, 그리고 전자 에너지의 최적화로 기체 전리 효율을 높이는 것이다. 또한 공명선의 경우 자체 흡수를 제어하기 위하여 적당한 완충작용을 하는 기체와 연속 스펙트럼의 경우는 자체 흡수가 적기 때문에 장파장의 연속 스펙트럼선과 관련된 연구 등이 중요하다. 결국 이들은 미소 방전 현상과 관련된 기초 이해와 이들을 위하여 전기적·광학적 진단 기술의 확보가 중요하다. 셋째, 자외선에 의한 형광체 발광 효율의 증대와 가시광선의 투과도를 높이는 일이다. 이는 형광체에 대한 연구가 주가 된다. 양자 효율이 높은 형광체의 개발과 형광체 도포의 위치 및 도포 두께의 최적화이다. 그 외에도 대조비(contrast)를 개선하는 것도 고화질의 요건이 된다.

PDP 미소 방전 플라스마의 특성

1. 파센 브레이크다운 (Paschen Breakdown)

파센 법칙은 플라스마 발생의 기본원리이다. 특히 PDP와 같은 공면 전극 구조에 대한 방전 현상을 파센 법칙과 함께 이해하는 것은 공면 전극 구조에서 플라스마 발생을 분석하는 첫걸음이다.

그림 7과 같은 방전관에 인가전압(V₀)을 서서히 증가하면 초기의 낮은 전압 영역에서 암전류(dark current)가 흐른다. 암전류는 방전공간에 존재하는 극히 미약한 수의 공간 전자가 있어서 이들이 가속을 받고 중성기체를 전리하여 이온이 가속되는 미세전류가 흐르는 영역이다. 이 때 특정 전압에서 음극(cathode)의 표면으로 가속된 이온에 의하여 음극 표면으로부터 이차 전자가 방출되어 이들이 방전공간으로 가속되면서 중성기체를 이온화하고 전자와 이온이 증식되어 방전관이 점화된다. 이를 소위 타운젠트(Townsend) 방전이라고 한다. 이때의 전압이 방전개시 또는 점화전압(firing voltage)이다. 또한 방전공간에서 이온화율을 제 1 타운젠트 계수라 하고 음극 표면에서의 이온 충돌에 의한 이차전자 발생률을 제 2 타운젠트 계수라 하여 이들 계수가 점화방전의 특성을 결정하는 파센 법칙의 주요 계수이다. 이렇게 방전이 개시되면 전자가 더욱 증대되고 공간 전하의 증대는 방전관 자체의 내부 저항의 감소를 가져온다. 그리고 동시에 고 전류의 발생으로 외부저항에 의한 전압강하로 방전관의 전압은 오히려 감소되어 방전관을 흐르는 전류 증대가 정지된다. 방전관의 전압이 감소되고 일정전압이 유지되는 전류 증대 영역을 정상 글로우 방전(normal glow discharge)이다. 이 때의 저항 R을 방전보호 저항 혹은 안정화 저항이라고 할 수 있다. 이러한 정상 글로우 상태에서 전압이 다시 증가하면 전류도 또 다시 증가하여 어느 전압에서 급격히 전류가 증가한다. 이를 비정상 글로우 방전(abnormal glow discharge)라고 한다. 이후 저항 R에 의한 전압강하로 방전관의 전압은 극히 작아지지만 전류는 크게 증가하는 소위 아크(Arc) 방전 영역에 이른다.

PDP에서는 저 전류 영역의 정상 글로우 방전을 활용한다. 위에서 DC형의 경우는 방전보호저항 R이 필요하다. 그러나 DC형 펄스 전압을 인가하는 경우에는 보호저항 R이 필요 없게 된다. 이는 전류증대 이전에 전원이 차단되기 때문이며, 당연히 펄스폭의 조정이 필요하다. 교류형(AC) 펄스를 인가하는 경우도 직류형(DC) 펄스와 동일하다. 일반적으로 AC PDP에서는 전극 표면에 유전층을 도포하여 벽전하(wall charge)에 의하여 방전을 제어한다. 특히, 벽전하의 효과가 AC PDP에서는 매우 중요하다.

현재 AC PDP에서는 공면 전극(coplanar electrode)형을 주로 채택하고 있다. 이는 위의 그림과 같은 평행 대면 극판과는 달리 전극이 동일면상의 유리판에 도포되어 있기 때문에 방전공간에서 전기장의 세기가 불균일하다. 이러한 불균일한 전기장에 대한 파센 법칙은

로 주어진다. α(x)는 제 1 타운젠트 계수로서 이온화율을 나타내며, γ는 음극표면에서 이온 충돌에 의한 이차전자 발생계수이다. 공면 AC PDP와 같은 방전공간에서 전기장의 세기가 방전 경로 상에서 일정하지 않기 때문에 α(x)를 방전 경로상의 x에 대한 전체 방전경로의 길이 x_f에 대하여 적분한다. 이온화율 α(x)는 일반적으로

로 주어진다. 이온화는 이온화 충돌진동수(ionization frequency) ν_iz에 비례한다. 이 때 ν_iz＝υ/λ이고, υ는 전자의 속도, 그리고 λ는 전자의 평균이온화 충돌 주행거리이다. 평균주행거리 λ는 중성기체의 밀도와 충돌 단면적에 반비례하므로 λ ＝1/nσ이며, ν_iz＝nσυ＝nK로 나타낸다. 여기서 K는 이온화율 인자로서 K≃e 이다. 따라서 α(x)≃n exp (⁣ε_iz/kT_e)로 표현되며, ε_iz는 기체의 이온화에너지이고, T_e는 전자의 온도이다. 이 때 kT_e는 방전공간에 평균주행거리에서 얻어지는 전기장에 의해 가속되어 얻어지며, kT_e∼λE가 된다. 이들의 관계에서 이온화율 α가 식 (2)와 같이 표현된다. 일반적으로 식 (2)에서 α값이 클수록 방전 전압이 낮고 플라스마의 생성이 잘 된다고 할 수 있다. 즉, 기체의 이온화 에너지가 작거나 전자의 온도가 높을수록 이온화율이 증가한다. 그런데 이온화 에너지 ε_iz는 표와 같이 원자번호가 무거운 기체일수록 이온화 에너지가 작다. 반면에 각 기체의 플라스마 상태에서의 전자의 온도는 무거운 원자의 기체일수록 더욱 낮아서 일반적으로 이온화율 α의 값이 He, Ne, Ar에 비해 Xe의 경우가 더 낮다. 따라서 He, Ne, Ar이 Xe에 비하여 방전개시 전압이 낮다. 결국, α(x)는 전기장으로 나타내어지고 이는 전기장에 의한 전자의 가속으로 충분한 에너지를 갖는 전자가 중성기체를 이온화하는 이온화율에 해당한다. 특히 불활성기체의 경우는

의 식으로 나타내기도 한다.

공면 AC PDP에서 방전 경로에 대하여 α(x)의 값이 다르기 때문에 평행 극판이나 V자형의 극판과는 다른 파센곡선의 특성을 갖는다. 또한 DC형과는 달리 유전층의 효과도 매우 중요하다. 공면 구조의 경우 강한 전기장은 유전층안에 형성되며, 방전 공간에는 상대적으로 약한 전기장이 형성되기 때문에 방전 전압이 다른 전극 구조에 비해서 수 10 V 이상 높아진다. 즉, 공면 전극의 구조가 평행 평판의 구조보다 불리하다. 그림 8은 평행 평판 과 V자형 및 공면 전극 구조에 대한 최근의 실험결과로서 파센 곡선을 나타내었다.^[11]

파센 법칙에서 이온유도 이차전자발생 계수인 γ는 점화전압에 큰 영향을 미친다. 즉 γ가 클수록 점화전압의 크기가 작아진다. 이는 이차전자 중화이론(Auger neutralization)에 의거한 퍼텐셜 방출(potential ejection)과 배후산란에 의한 이차전자의 방출인 운동론적 방출(kinetic ejection)으로 구분된다. 중화이론은 10∼100 eV의 이온이 음극 표면에 접근하여 표면의 전자를 받아들이고 이 전자가 그 기체를 중화하면서 표면전자가 가지고 있는 에너지와 바닥상태 에너지의 차이를 광자로 발생시켜 표면에 열에너지로 변환하거나 또 다른 표면의 전자를 방출시키는 에너지로 변환된다. 이 때의 방출전자를 중화이론에 의한 이차전자라고 한다. 예를 들면, 이온화 에너지 ε_iz를 갖는 기체가 이온화되어 표면으로 접근되면 시료 표면의 페르미 에너지 준위에 있는 일함수 에너지 Φ_w를 갖는 전자가 터널링에 의하여 이온을 중화하고 바닥상태로 가면서 ε_iz－Φ_w의 에너지를 내게된다. 이 에너지가 표면의 열 에너지로 변환되거나 또 다른 일함수 에너지 준위의 전자를 들뜨게 하는데 ε_iz－Φ_w＞Φ_w이면 전자가 표면으로부터 방출된다. 따라서 이차전자 방출조건은

이다. 즉 기체의 이온화 에너지가 크고, 음극 표면재료의 일함수 에너지 값이 작을수록 이차 전자의 발생계수 γ가 크다. 따라서 이온화 에너지가 큰 기체일수록 이차전자 발생률이 커서 파센 곡선에서 방전점화 전압이 낮게 된다. 이는 기체의 이온화 에너지가 작을수록 이온화율 α가 커지는 경우와는 반대의 현상이다. 즉, 기체의 이온화 에너지는 제 1 타운젠트 계수 α는 크게 하지만 제 2 타운젠트 계수 γ는 오히려 작게 한다. 기체의 이온화 에너지는 오히려 γ값에 더 큰 영향을 주기 때문에 이온화 에너지가 클수록 방전 점화전압이 낮게 된다. 중성화 이론에 의한 γ의 값은 γ < 1이다. 이온의 에너지가 커서 ∼keV의 영역에서는 이온이 시료표면의 원자를 스퍼터링하거나 시료 전자를 배후산란에 의해 방출하게 된다. 이는 이온의 운동에너지의 변화에 의한 것이다. 이러한 경우는 γ가 1보다 클 수도 있다. 이와 같이 파센법칙은 방전의 점화를 나타내는 것으로서 이온화율과 음극 표면의 이온충돌에 의한 전자 방출계수로 나타낸다. 즉, 방전에 의한 플라스마의 발생은 전기장의 에너지를 전자에 이전하여 전자가 얻은 에너지에 의해 기체를 이온화하는 구조를 갖는다. 따라서 방전 플라스마의 특성은 전기장과 전자의 온도, 기체의 이온화 에너지, 음극의 이차전자 발생계수 특성 등이 기체 압력과 함께 주요한 변수들이다.

2. MgO 보호막의 이차전자 발생계수 특성

AC PDP 미소방전 플라스마는 방전기체에 따른 MgO 보호막의 이온유도 이차전자 방출계수 특성에 크게 좌우되며, 이 때 발생된 이차전자는 음극의 플라스마 덮개(sheath) 지역을 탈출하여, 다시 방전 기체에 전리 충돌 또는 페닝 이온화 충돌을 하면서 AC 방전 플라스마를 형성시켜주는 중요한 역할을 한다. Ne, Ar 및 Xe 단일 기체에 대한 MgO 보호막의 이차전자 발생계수의 특성을 그림 9에 나타내었으며,^[12] 여기서 기체의 이온화 에너지가 클수록 이차전자 발생계수는 커짐을 알 수 있다. 이 때의 MgO 보호막은 실제 패널의 상황에 맞도록 투명 유전체 위에 두께 5,000 A으로 증착되었으며, 투명 유전체는 전극 위에 두께 30 Ռm로 도포되었으며, 전극은 창유리 기판에 두께 1 Ռm로 패턴되었다.

특히 MgO 보호막의 이차전자 발생계수의 에이징(aging) 특성은 직접적으로 AC PDP의 방전개시 및 유지 전압의 특성과 관계가 있다. 에이징시 나타나는 이차전자 발생계수의 증가는 곧 AC PDP 플라스마의 방전 개시 및 유지전압의 감소로 나타나며, 또한 MgO 보호막의 결정 방향성(Preferred orientation)에 따라서도 이차전자 발생계수의 특성이 바뀐다. 최근 MgO 보호막의 방향성이 (111)일 때의 이차전자 발생계수는 다른 결정 방향성인 (200) 및 (220)에 비해서 더 높으며, 따라서 (111)일 때의 방전 개시 및 유지전압은 다른 방향성에 비해서 더 낮다는 사실이 보고되었다.^[12] 또한 적정량의 산소분압을 MgO 보호막 공정시 첨가하면 더 높은 이차전자 발생계수를 얻을 수 있으며, 따라서 방전 개시 및 유지전압은 더 낮은 값을 가질 수 있다. 한편 MgO 보호막으로부터 발생된 이온유도 이차전자의 에너지는 일반적으로 7 eV 이하의 값을 가지며, 이들 이차전자가 들뜬 방전 기체와 충돌하여 AC PDP 플라스마는 더욱 이온화가 활발히 일어나게 된다.

3. PDP 플라스마의 온도, 밀도, 방전 이미지의 전기광학 특성

PDP 셀에서 발생하는 미소방전 플라스마의 근원적 이해를 위해서 PDP 플라스마의 밀도 및 온도에 관한 진단 및 분석연구가 필요하다. 이와 같은 기초 핵심연구는 새로운 형태의 PDP 셀 구조 제안, 실험, 검증을 위한 전단계 기초 연구이며, 또한 시뮬레이션 코드 개발과 직접 연관이 있다. 미소 랑뮈에 (Langmuir) 탐침법을 PDP 미소방전 셀에 적용할 수 있으며, PDP 방전 플라스마의 이온밀도, 전자온도, 플라스마 전위를 직접 진단할 수 있다. 또한 PDP 미소방전 플라스마의 방전 이미지 분석을 통해 방전 특성을 더욱 이해할 수 있다.

표시 전극의 폭 및 간격이 각각 300 Ռm 및 50 Ռm, 기체압력 300 torr, 진동수 20 kHz 그리고 듀티비 50 %의 사각파로 미소방전 PDP 플라스마를 발생시켰을 때의 전자온도는 0.8 eV∼1 eV, 그리고 Ar 이온밀도는 약 2×10¹⁰ cm^－3∼1×10¹¹ cm^－3의 값을 가진다. 여기서 Xe의 이온화 에너지 12.13 eV 및 들뜬 에너지 8.32 eV에 대한 볼츠만 인자를 고려하였을 때, Xe 이온 및 들뜬 원자의 밀도는 각각 약 4×10¹¹ cm^－3 및 7×10¹² cm^－3 정도값을 가진다. 이와 같이 미소 방전 PDP 플라스마는 Xe 이온 및 들뜬 Xe 원자에 의해서 주로 특성 지어지며, 한편 들뜬 Xe 원자는 진공자외선을 방출시키며, 이 진공자외선은 빨강, 녹색, 파랑의 컬러 형광체에 흡수되어 가시광선으로 변환되는 것이다. 이와 같은 가시광선의 휘도 및 발광효율은 직접적으로 PDP 플라스마의 전자온도 및 이온밀도에 의존하게 되므로, 고효율·고휘도의 PDP를 개발하기 위해서는 기체 종류 및 조성비, 기체압력, 표시 전극간의 거리 및 폭, 구동 펄스의 형태에 따른 PDP 플라스마의 전자온도 및 이온밀도에 대한 근본적인 철저한 진단 및 분석이 선행되어야 한다. Ne 기체를 사용한 PDP 방전 플라스마의 이미지를 그림 10에 나타내었다. 표시 전극의 폭 300 Ռm, 기체압력 300 torr, 진동수 20 kHz 그리고 듀티비 50 %의 사각파로 미소방전 PDP 플라스마를 발생시켰을 때의 방전 이미지를 전극간격에 따라서 나타내었다. 전극간격이 50 Ռm일 때 주방전영역을 나타내주는 밝은 줄무늬(striation)가 보이며, 전극간격이 150 Ռm 및 200 Ռm일 때, 주방전영역이 두 개의 표시전극 안쪽으로 집중되어짐을 알 수 있다. 일반적으로 공면 면방전 구조에서의 전기장은 두 개의 공면 전극안쪽에서 최대이다. 따라서 표시 전극간격이 150 Ռm 및 200 Ռm일 때 방전효율이 최대가 됨을 알 수 있으며, 이때 이곳에서의 PDP 플라스마의 전자온도, 이온밀도, 벽전하, 벽전압, 들뜬 Xe 원자의 밀도가 최대로 되어, 진공 자외선의 발광효율 및 형광체로부터 방사되는 가시광선의 발광휘도는 최대가 되는 것이다.

4. 플라스마 방사 (Plasma Radiation)

중성 원자나 분자들이 전자 등의 입자와 충돌하여 플라스마가 생성된다. 이 때 플라스마에서는 이온화(ionization), 들뜸(excitation), 그리고 방사(radiation) 등이 수반된다. PDP는 플라스마로부터의 방사를 이용한다. 방전 기체는 기체 고유의 빛을 방출한다. 예를 들면 Ne은 적색에서 황색에 가까운 빛을 내고, Ar은 보라색, 산소는 녹색, 그리고 수은은 청색의 빛을 낸다. 즉, 이들의 발광 색깔은 동일한 기체라도 다소 차이를 갖는다. 그것은 방전관 자체의 위치에 따른 차이는 있으나, 근본적으로 서로 다른 온도를 갖는 전자가 기체 원자에 충돌하면 다른 에너지 준위로부터 들뜬 발광에 의하여 색깔의 차이를 가져온다. 이러한 발광을 칼라 TV에 사용하기 위하여는 빨강 (R)·녹색 (G)·파랑 (B)를 혼합하여 사용해야 하는데 이들의 색 순도나 발광 휘도가 충분치 못하여 기체 자체가 내는 발광을 사용하여 칼라 표시 장치로 사용하기는 적절치 못하다. 더군다나 이들 각각의 기체를 별도로 사용하여 색을 혼합하는데는 기술적으로도 어려움이 있다. 따라서 PDP와 같이 방전을 이용한 완전한 색상의 표시 장치에서는 방전 플라스마에서 발생하는 진공 자외선 (vacuum ultra violet)을 이용하여 형광체를 발광하는 방식으로 빨강·녹색·파랑의 색을 혼합한다. 보통 자외선은 400 nm인 보라색의 파장보다 짧은 광선이며, 진공 자외선은 이보다 파장이 더 짧은 것을 지칭한다. 이들은 진공 중에서만 전파되고 대기 중에서는 쉽게 흡수되어 거의 전파되지 않기 때문에 진공 자외선이라고 한다. PDP의 경우는 주로 Xe의 공명선인 147 nm나 Xe₂^*의 연속 스펙트럼 분자선인 173 nm의 진공 자외선을 이용하여 형광체를 발광하여 완전한 색상을 얻게 된다.

결국, PDP는 자외선의 방사 강도가 높아야 하며, 기체 자체에서 방사하는 가시광의 강도는 낮을수록 좋다. 이 때의 자외선은 긴 파장일수록 형광체의 들뜸 특성이 좋아서 발광도가 높고 형광체에서의 열적인 변환이 적다. 이러한 측면에서 화학적으로 안정된 불활성 기체를 사용한다. 또한 분자 기체는 방전으로 인하여 해리(dissociation)되기 때문에 방전 특성이 불안정하여 사용을 피한다. 또한 이온의 스퍼터링은 이온의 질량이 크고 압력이 낮을수록 심하므로 보통 질량이 큰 완충가스를 첨가하여 압력을 높인다. 이러한 이유에서 자외선의 방사가 유리한 Xe을 He, Ne, 또는 Ar에 첨가하여 사용하고 있다.

이 절에서는 PDP와 관련하여 불활성 기체에 대한 방사 특성을 정리한다. 기체의 들뜬 상태에서의 방사는 공명선(resonance line) 방사와 준안정 방사(metastable radiation)가 있다. 공명방사(resonance radiation)는 전자가 최고의 들뜬 준위에서 바닥 상태로 떨어질 때의 방사이다. 일반적으로 공명준위(resonance level)에 머무르는 전자는 극히 불안정하여 ∼nsec의 짧은 시간에 바닥상태로 떨어진다. 반면에 준안정 준위는 매우 안정하여 msec 이상의 시간 동안 머무르는 경우가 보통이다. 표 4에 불활성 기체와 Hg에 대한 공명 전위와 준안정준위 및 이온화 에너지를 나타내었다. 표 4에서와 같이 VUV의 측면에서 공명선의 파장이 긴 147 nm의 Xe이나 253 nm의 Hg가 형광체 발광에 유리하다. 따라서 Ne보다는 Xe이나 Hg가 좋다는 것을 알 수 있다. 특히 Xe의 경우는 Xe＋Xe^* → Xe^*₂에서 연속 스펙트럼인 Xe^*₂의 분자선(molecular radiation) 173 nm이 방사되기 때문에 PDP에서 혼합가스로 주로 사용되고 있다. Hg의 경우는 저온에서 액체이므로 기체 상태로 변환하기 위하여는 기체의 온도를 올려주어야 한다. 이 때의 증발 온도(evaporation temperature)는 기체 압력에 비례한다. 보통의 형광등에서는 약 40 ℃의 온도가 필요하며 이는 형광등 자체의 전류에 의한 온도 상승 효과를 활용하고 있다. 그러나 PDP와 같이 수백 Torr이면 약 140 ℃의 온도가 필요하기 때문에 PDP에서는 추가적인 발열문제를 감당하기 어려운 점이 있어서 Hg를 사용하는데는 부적합하다.

PDP에서 Xe 기체만을 사용하지 않고 He이나 Ne 또는 Ar 기체를 혼합하여 사용하는 데는 두 가지의 이유가 있다. 첫째는 Xe와 같은 원자 번호가 큰 무거운 입자일수록 플라스마 발생이 어렵다. 즉, 플라스마 발생은 이온화율에 관계되는데 이는 exp(－ε_iz/kT_e)로 주어진다. 여기서 ε_iz는 이온화 에너지이다. 이온화 에너지만을 보면 원자 번호가 큰 경우가 표 4에서와 같이 이온화 에너지가 낮기 때문에 이온화율이 높다고 할 수 있다. 그러나 무거운 입자일수록 전자와의 충돌확률이 커서, 전자의 에너지 손실이 크며, 결과적으로 전자의 온도 T_e가 낮게 된다. 일반적으로 충돌 단면적도 무거운 입자인 Xe이 가벼운 He이나 Ne에 비하여 크다. 따라서 전자의 온도가 낮기 때문에 중성 기체를 이온화할 수 있는 충분한 에너지를 전자가 갖지 못하여 이온화가 어렵다. 또 다른 이유는 기체의 이온화 에너지가 낮으면 전극으로부터 이차 전자의 발생률이 적다. 이는 파센 브레이크다운에서도 자세한 설명을 하였다. 따라서 무거운 기체는 가벼운 기체에 비해서 방전에 불리하며 방전 점화 전압도 높다. 그렇게 되면 자외선의 방사도 그만큼 불리하게 된다. 결국 Xe과 더불어 He, Ne, 또는 Ar 기체를 혼합하는 이유는 플라스마 발생과 관련하여 방전을 용이하게 하기 위함이 첫 번째 이유이다. 둘째는 소위 페닝 효과(Penning effect)이다. 이는 기체의 준안정 들뜬 상태는 공명 들뜸과는 달리 msec 이상의 긴 수명을 갖기 때문에 이러한 준안정 들뜬 상태의 기체가 장시간 존재하여 존재확률이 높고 다른 중성 기체와 충돌확률도 높아서 다른 중성 기체를 이온화한다. 그 결과 방전 전압을 낮게 하고 플라스마의 발생을 용이하게 하는 것이다. 예를 들면 Ne과 Ar을 혼합하면 각각의 단일 기체를 사용할 때보다 점화전압이 훨씬 낮아진다. 표 4에서 Ne의 이온화 에너지 ε_iz = 21.56 eV이고, Ar은 ε_iz = 15.76 eV이다. 이들을 혼합하면 이온화 확률은 exp(－ε_iz/kT_e)이므로, 혼합 기체 중에서 전자의 온도 T_e는 같기 때문에 ε_iz가 작은 Ar이 대부분 이온화하여,

가 된다. 한편, Ne의 준안정 준위는 16.62 eV로서 Ar의 이온화 에너지와 비슷하여 대부분의 Ne은 이온화되지 않고 준안정상태인 Ne^* 상태가 된다. 즉,

가 된다. 그런데 Ne^*의 수명은 매우 길어서 Ar⁺ 이온과 더불어 Ne^*의 양이 많이 존재하게 되고 이들 Ne^*의 에너지 준위는 16.62 eV이므로 이 에너지는 Ar을 이온화하는데 충분하여

와 같이 중성 Ar을 또다시 이온화함으로써 플라스마의 발생을 증대하는 촉매 효과를 준다. 이를 페닝 효과라고 한다. 그리하여 Ne + Ar의 혼합 가스는 대부분 Ar⁺과 Ne^*이 발생하게 된다. He + Xe과 Ne + Xe의 혼합 기체에서도 동일한 페닝 효과가 있다. Xe과의 혼합 기체에서는 이온화 에너지 (ε_iz = 12.13 eV)가 낮은 Xe이 대부분 이온화된다. He이나 Ne은 이온화 에너지가 커서 주로 준안정 에너지 상태인 He^*(19.80 eV), Ne^*(16.62 eV)의 준안정 들뜬상태로서 장수명을 갖는다. 이들이 다시 Xe을 이온화하거나 Xe^*의 상태로 만들게 된다. 이들 혼합 기체의 방전에서는 Xe⁺의 플라스마가 주종을 이루게 된다.

한편, PDP에서는 전류 증가에 따른 진공 자외선의 포화 (saturation), 또는 트래핑(trapping) 현상이 중요하다. 이는 공명선 자체 흡수 현상으로서 전류 증가에 대하여 자외선이 비례적으로 증가하지 못하고 자외선 방사의 포화현상을 말한다. Xe 원자의 공명 천이시간은 3.8 nsec로 매우 짧은 시간동안에 공명선 147 nm을 방출하고 바닥 상태로 천이 된다. 또한 바닥 상태의 Xe 원자들은 이들 147 nm의 공명선을 흡수하여 또 다시 들뜬다. 따라서 자외선의 99 %는 바닥 상태의 Xe에 자체 흡수되고 형광체에 도달하여 형광체를 들뜨게 하는 비율은 0.1∼1 %로 미약하다. 이렇게 Xe에서 방사되는 147 nm는 형광체에 도달하기까지 Xe 원자의 자체 흡수와 방사가 되풀이 된다. 그러나 전류가 증대되어 전자가 많으면 전자들이 들뜬 Xe을 전리하여 공명선을 소실하는 효과가 커져서 결과적으로 전류 증가에 따라 공명 자외선의 포화 현상이 발생한다. 반면에 Xe₂^*의 연속 방사선인 173 nm는 이러한 포화 현상이 없기 때문에 유리한 면이 있다.

전망 및 결론

요즈음 세인들의 입에 자주 오르내리는 꿈의 벽걸이형 TV, 디지털 TV는 미래가 아닌 현실로 이제 우리 삶 가까이에 와 있다. {얇고}, {크고}, {아름다운} 3박자를 모두 갖춘 표시장치가 AC PDP이기 때문에 2,000년부터 컬러 PDP가 본격적으로 부상하리라고 예측하는 것도 여기에 기인한다. AC PDP 용도는 비행기, 선박, 버스 등의 이동물체, 화상회의, 가정용 TV, PC 및 워크 스테이션 등의 모니터, 역광장 등의 정보표시 및 상품안내, 스타디움의 HDTV 등 무한정 확대가능하다. 이를 위하여 각 PDP 제조회사가 생산설비의 증강에 돌입한 상태이지만, CRT에 버금가는 화질인 고휘도 (600 cd/m²) 및 고효율화 (3 ℓm/W), 그리고 저소비전력 (200 W)에 대한 근본적인 문제를 해결하여야만 한다.

현 AC PDP의 구조인 공면 면방전 구조의 최적화 및 휘도 및 효율향상을 획기적으로 기약할 수 있는 혁신적인 새로운 PDP 방전셀의 구조창안 연구는 모두 AC PDP 벽걸이 TV의 실현을 위하여 꼭 해결되어야 할 과제이며, 여기에는 파센 방전해석에 기초한 방전효율의 향상, MgO 보호막의 이차전자 발생계수의 향상, 저전압화 방전혼합기체 및 동작 압력의 최적화를 통한 진공자외선의 발광효율 및 가시광 변환·인출 효율의 향상, PDP 패널의 전기용량 최소화 및 이를 통한 에너지 회수회로의 수율 향상, 구동 IC 개수의 최소화 및 구동 펄스의 최적화를 통한 구동전압의 저감화 및 동작 여유의 극대화 실현이 포함된다. 이의 기초 연구는 단순한 기초물리학 뿐만 아니라 관련 기초화학, 기초 전자공학의 영역까지 포함하는 분석종합적인 특성을 가진다. 따라서 한국물리학회 회원 여러분의 PDP 분야에 대한 독창적인 아이디어 및 적극적인 연구참여가 절실히 요구되는 현실 입장을 밝히며, 글을 맺는다.

참 고 문 헌

[1] H. G. Slottow, IEEE Trans. Electron Devices ED-23, 762 (1976).

[2] A. Sakaki and T. Takagi, IEEE Trans. Electron Devices ED-20, 925 (1973).

[3] Fujitsu, Jap. Patent 9-160525 (1997).

[4] G. W. Dick, Proc. SID 13, 6 (1972).

[5] L. F. Weber, IEEE Trans. Electron Devices ED-24, 864 (1987).

[6] T. Tamida, A. Iwata and M. Tanaka, IEEE Trans. Electron Devices ED-96, 274 (1996).

[7] E. H. Choi, J. J. Ko, T. S. Cho, J. C. Ahn, D. S. Cho, Y. Jung, M. C. Choi, J. Y. Lim, J. G. Kim, T. Y. Kim and G. S. Cho, Proc. SID-IDW'98 (1998).

[8] H. G. Slottow and W. D. Petty, IEEE Trans. Electron Devices ED-2, 650 (1970).

[9] 제 3회 차세대 평판표시장치 기반기술 개발사업 workshop, 보광휘닉스파크, 한국디스플레이 연구조합, 6 (1998).

[10] 플라스마 디스플레이의 신전개, 히가시 데리사찌 센터, 7 (1997).

[11] G. S. Cho, Y. G. Kim, Y. S. Kim, J. J. Koh and E. H. Choi, Jpn. J. Appl. Phys. 37-10A, L1178 (1998).

[12] E. H. Choi, H. J. Oh, J. J. Ko, G. S. Cho and S. O. Kang, in press in Jpn. J. Appl. Phys., Dec. (1998).

최은하 교수는 한국과학기술원 ('87) 물리학과에서 이학박사를 취득한 후, 미해상전술연구소(NSWC)에서 Post-doc, 미국 NASA 및 Hampton 대학에서 위촉연구원 겸 조교수, 그리고 한국표준과학연구원에서 선임연구원으로 재직하였으며, 현재 광운대학교 전자물리학과 부교수로 재직중이다. (ehchoi@daisy.kwangwoon.ac.kr) 조광섭 교수는 한국과학기술원 ('87) 물리학과에서 이학박사를 취득한 후, 미국 MIT 대학 교환 연구교수로 재직하였으며, 현재 광운대학교 전자물리학과 교수로 재직중이다. (gscho@litholab1.kwangwoon.ac.kr)