<테마특강> 플라즈마표시장치(PDP) 기술 동향

장규환

◇77년 서울대 공과대학 전자공학과 졸업

◇93~96년 대우전자 영상연구소장

◇96년 미국 미시간대학 최고경영자 단기과정 수료

◇97년 대우전자 전략기술제1연구소장(이사)

◇현재 대우전자 디지털TV사업부장

　현대를 흔히 정보시대라고 한다. 그렇다면 정보의 전달은 어떻게 이루어지는 것일까. 정보를 전달해 주는 매체는 소리·빛·전류 등 다양하다.

　실험에 의하면 인간은 청각보다는 시각에 의존해서 더 많은 정보를 획득한다고 한다. 또한 어떤 현상을 일일이 말로 설명하는 것보다는 그림으로 보여주는 것이 더욱 빠르고 정확한 전달이 이루어진다고 한다.

　「백문이 불여일견」이라는 말이 있듯이 인간의 뇌에 전달되는 정보 중에서 눈으로부터 들어가는 시각정보가 가장 많으며(초당 3×106비트) 귀로부터 들어가는 청각정보는(초당 2×10⁴∼5×10⁴비트) 그 다음이다. 여기에서 정보를 표시하는 표시장치의 필요성이 대두된다.

　표시장치는 인간과 전자장치와의 정보교환을 행하는 중요한 인터페이스다. 현재 여러 가지 표시장치 중에서 음극선관(CRT : Cathod Ray Tube)은 확고한 위치를 차지하고 있지만 몇가지 결점이 있다.

　우선 대형화면이 될 경우 부피가 커지며 동작전압이 높아지고 표시 찌그러짐이 있다. 이러한 결점을 개선하려는 연구개발은 계속 진전되고 있다. 특히 표시 찌그러짐을 해결하기 위한 노력은 새로운 평판표시장치의 개발로 이어지고 있다. 평판표시장치로서는 전자발광(EL), 액정표시장치(LCD), 발광다이오드(LED), 진공형광디스플레이(VFD : Vacuum Fluorescent Display), 플라즈마표시장치(PDP : Plasma Display Panel) 등의 많은 종류가 있다. 이 중 PDP에 대해 알아보자.

　공간에 정전하 및 부전하가 존재해 가스 전체로서는 전기적 중성이 유지되는 전리기체를 플라즈마라고 한다. 기체가 100% 전리될 필요는 없다. 플라즈마디스플레이 중의 전리도는 10-6 정도다. PDP분야에서는 관례적으로 가스방전을 이용하면 플라즈마디스플레이라고 한다.

　방전관의 전류 및 전압 특성을 살펴보면 글로방전은 전류가 변화해도 전압은 일정하게 유지한다. 또한 상대적으로 낮은 전압에서 방전을 일으킬 수 있다는 장점이 있다.

　플라즈마디스플레이는 방전 셀(Cell)의 구조적 차이와 이에 따른 구동전압의 형식에 따라 크게 직접방전형(DC구동형) PDP와 간접방전형(AC구동형) PDP로 분류된다. DC구동형 PDP는 직류전압으로 구동되는 반면 AC구동형 PDP는 정현파 교류전압 또는 펄스전압으로 구동된다. DC방전형 PDP는 소다석회 유리(Sodalime Glass) 배면기판상 음극을 평행하게 형성하고 그 위에 장벽을 음극과 수직방향으로 설계한다. 전면기판에는 음극과 수직방향으로 양극을 설계한다. 전면기판과 배면기판을 합치고 주위를 진공으로 하고 최후에 가스를 봉입한다. 양극과 음극사이에 방전보호저항을 집어넣어 DC전압을 인가하면 교차점에서 발광을 한다.

　AC구동형 PDP의 구조는 DC구동형과 같고 배면기판상에 수직전극을 평행하게 설계하고 그 전극을 유전체로 절연하는데 이것이 포인트다. 유전체 표면상에 방전특성을 향상시키기 위한 MgO를 증착한다. 전면기판은 배면기판과 동일한 구조를 가지고 있고 두개를 합칠 때에 한 쪽을 90도 회전시킨다. AC구동형 PDP는 수직 및 수평방향의 금속전극을 유전체로 덮어주는 구조를 하고 있다. 이것을 전극이라고 부른다.

　구조적으로 AC구동형은 유전체층이 전극을 덮고 있어 이것이 전류제한 저항의 역할을 하고 DC구동형은 전극이 방전 공간에 그대로 노출되어 있어 방전전압이 인가되는 동안 방전전류가 흐르게 된다. AC구동형은 전극이 유전체로 피복되어 있어 방전시 이온 충격을 받지 않아 DC구동형보다 수명이 길며 분극(Polarization)에 의해 유전체 표면에 생성되는 벽전하(Wall Charge)가 셀 내부에 기억기능을 갖게하는 장점 때문에 표시장치로 더 많이 응용되고 있다.

　PDP와 CRT의 발광과정을 비교해 보면 CRT는 열전자 방사에 의해 전자를 발생시키고 이 전자를 전계에서 가속시켜 고속전자가 형광체에 충돌하여 발광하게 된다.

　PDP의 발광과정은 CRT보다 더 복잡하다. 음극이온을 이용하여 2차 전자를 방사시킨다. 다음 2차 전자를 가속시켜 중성가스를 전리해 전자수를 증가시킨다. 그 전자로부터 크세논(Xe)을 여기시킨다. 방사된 자외선이 형광체를 여기시켜 가시광선을 낸다.

　이처럼 CRT와 비교하여 PDP는 발광까지의 프로세스가 많고 발광효율이 떨어질 확률이 높다. 표시를 위한 단위 셀당 3개의 전극 즉, 데이터 기입을 위한 어드레스(Address)전극과 라인(Line)을 순차적으로 스캔(Scan)하고 셀 방전을 유지하기 위한 유지(Sustain)전극 그리고 방전유지를 보조하는 버스(Bus)전극으로 구성되어 있다.

　또한 각 셀을 격벽(Barrier Rib)으로 분리시켜 그 내부에는 페닝(Penning) 혼합가스를 봉입시킨 구조를 하고 있다. 여기서 페닝 혼합가스란 네온(Ne)가스에 아르곤(Ar)이나 크세논(Xe)을 소량 첨가하여 단일 가스보다 방전 개시 전압을 낮출 수 있는 가스를 말한다.

　PDP는 얇은 구조를 가지고 있어 좁은 가정구조에 적합한 표시장치다. 기판 두께는 약 3㎜며 전면판과 배면판을 합하여 6㎜다. 유리와 유리사이는 약 0.2㎜다. 구동회로와 전원회로를 패널 뒷면에 붙인다고 해도 합계 3∼5㎝ 정도다.

　꿈의 TV라고 일컫는 벽걸이TV의 실현이 PDP 출현으로 가능하게 됐다. PDP의 최대 특징은 대형패널을 실현할 수 있다는 것이다. 포토닉스사는 지난 87년 1.5m의 모노크롬 PDP를 발표한 바 있다. 96년 가을 이후부터는 일본의 각사들이 42인치 이상의 PDP TV를 발표하고 있고 시장에도 등장하고 있다.

　40인치의 경우 무게가 20㎏ 정도로서 벽에 걸어서 사용할 수 있다. CRT에서는 40인치 이상되면 무게가 100㎏ 이상 된다. LCD나 EL에 비해 고해상도가 불리하지만 셀피치(Cell Pitch)가 0.11㎜도 가능하여 고해상도 고선명(HD)TV 대응이 가능하다.

　또한 SXGA패널로도 충분한 가치가 있다. 구조상 튼튼하여 NASA에 의해 로켓이나 잠수함의 디스플레이로 일부 채택되고 있다. 액체와 고체의 특성을 동시에 갖고 있는 LCD는 사막이나 극지방에서는 콘트라스트가 떨어지며 액정의 성질이 변하여 응답속도가 저하된다. PDP는 가스를 이용해 발광하기 때문에 주위 온도의 영향을 덜 받는다.

　PDP는 원리적으로는 10만시간 이상의 수명을 갖는 것으로 되어 있다. 정확한 수명은 측정할 수 없지만 수명에는 근본적으로 문제점이 없다. 상하좌우 각각 CRT와 같은 정도의 광시야각을 보장한다. 또한 CRT와 같은 정도의 콘트라스트를 갖고 있다.

　PDP는 디지털 표시를 할 수 있도록 계조표시 특성이 우수하다. 방전 셀 자체가 기억기능을 갖고 있다. 신호를 패널에 일단 기입하면 CRT에서 볼 수 있는 매 필드(Field)당 리프레시(Refresh)를 할 필요가 없다.

　그러나 아직 해결해야 할 과제도 많다. 고화질화에 관해서는 우선 휘도·콘트라스트·동화왜곡·색재현성 등을 개선해야 한다. 특히 동화왜곡은 서브필드(Sub­field)법을 사용할 때 생기는 문제다.

　PDP화질도 최대 문제점으로 남아있다. 여기에 관해서는 활발한 연구가 진행되고 있으며 다양한 제안들이 제출되고 있다. 서브필드의 분할수 및 배치의 최적화, 발광시간의 압축 등의 방법들이 있다. 휘도·콘트라스트·소비전력은 상호관계가 있으며 동시에 만족시키려면 효율 향상이 필수적이다.

　발광효율을 향상시키려면 구동회로 효율, 자외선 발생효율 및 이용효율, 형광체 변환효율 및 발광효율 등을 향상시켜야 한다. 고정세화는 현재의 NTSC, VGA에 대응하는 화소로부터 HDTV, SXGA까지 대응이 필요하다.

　화면크기는 이론적으로 60인치까지 가능하지만 현재의 제조장비로는 약 50인치까지 가능하다. 그 이상에 대해서는 개발이 필요하며 미세한 셀을 대면적에 균일하게 만들 수 있는 프로세스가 필요하다. 수명에 관한 중요한 요인은 방전에 의한 보호층의 스퍼터링(Sputtering)과 자외선에 의한 형광체의 열화정도가 관건이다. 또한 시장 확대와 보급을 위해서는 저코스트화가 절실하다.

　멀티미디어시대가 도래해 TV 및 컴퓨터 양쪽을 모두 수용할 수 있는 디스플레이 등 새로운 기능을 가진 디바이스가 필요하게 됐다. 현재는 40인치급과 50인치 NTSC 방식의 TV가 시장에 출현하였고 가까운 장래에 1280×1024 화소를 갖는 워크스테이션이 개발될 것이고 그 이후에는 HDTV에 적합한 1920×1080 화소를 갖는 50인치급 PDP가 개발될 것이다. 성능면에서 기본적인 기능 및 화질 등은 CRT에 손색이 없으나 가정에 보급하려면 가격이 더 낮아져야 한다.

　100년의 역사를 갖고 있는 CRT에 비하면 PDP의 완성도는 아직 낮으나 기술적인 발전을 통해 CRT의 뒤를 이을 수 있는 표시장치로 평가받고 있다.