PDP(Plasma Display Panel) 란?

1. PDP(Plasma Display Panel) 란?

Plasma란 "제 4의 물질 상태"이다. 흔히 물질의 상태에는 고체, 액체, 기체의 3가지 상태로 이루어져 있고, 에너지를 가하면 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 그 상태가 바뀐다. 그런데 기체 상태의 물질에 더욱 열을 가하게 되면 그 물질은 이온과 전자로 분리되어 전기를 띈 입자로 존재하게 된다. 이러한 상태를 Plasma라고 하며, 전하를 띈 입자의 집단이라고 할 수 있다. 실제 PDP에서는 전기적인 기체 방전을 통하여 Plasma를 얻는다.

PDP는 Plasma Display Panel의 약자로 전면유리와 배면유리 및 그 사이의 칸막이에 의해 밀폐된 유리사이에 Ne+Ar, Ne+Xe 등의 개스를 넣어 양극과 음극의 전극에 의해 전압을 인가하여 네온광을 발광시켜 표시광으로 이용하는 전자표시장치를 일컫는다.

PDP는 현재 활발히 연구되고 있는 LCD(Liquid Crystal Display), FED(Field Emission Display), ELD(Electroluminescence Display)와 같은 여러 분야의 평판형 디스플레이 중에서도, 대형화에 적합한 많은 장점을 가지고 있다. PDP가 평판으로서 대형화가 가능한 이유는 구조가 두께가 각각 3㎜ 정도 되는 유리기판을 2장 사용하여 각각의 기판위에 적당한 전극과 형광체를 도포하고 약 0.1∼0.2㎜ 정도의 간격을 유지하여 그 사이의 공간에 플라즈마를 형성하는 방법을 채택하기 때문이다.

2. PDP의 역사

최초의 가스 방전 표시 장치는 1927 년 Bell Telephone Laboratory의 Gray등에 의해 개발되었다 . 이 표시 장치는 2,500 화소로 (50 lines × 50 lines) 이루어진 네온 가스로 충전된 방전관을 기계적 회전 브러시 전환자에 의해 동작시키는 표시 장치였으며 , 약 60cm 의 폭과 75cm 의 높이를 갖는 극장용 표시 장치로 이용되었다 . 그러나 이 표시 장치는 각 화소별로 독립적으로 구동시키는 방식이었으며 , 따라서 2500 개의 방전관을 순차적으로 표시해야 하므로 초당 16 frames의 낮은 화상 표시 능력을 갖고 있었다 . 이와 같은 시기에 Nicholson은 최초로 행구동 방식을 이용한 가스 방전 TV 표시 장치를 개발하였다 . 그러나 1930 년대 초반 CRT의 급속한 발전과 더불어 가스 발광 표시 장치를 TV 표시 장치로 이용하는데 대한 관심이 멀어져 갔고 , 옥외 광고 표시기나 alpha-numeric 표시 장치로서의 이용에 한정되게 되었다 .

1956 년 후반부터는 음극 구동 터미널을 획기적으로 감소시킬 수 있는 matrix 구조를 갖는 가스방전이 보고되기 시작했다. 새로운 전극 구조는 서로 교차되는 양극과 음극을 각각 배면과 전면에 위치시키고 , 방전의 형성은 양극과 음극간에 전위차가 인가되는 지점에서 발생시키는 구조를 갖게 했으며 , 인접셀에 의한 방전의 상호 혼신 (crosstalk) 을 방지하기 위한 spacer가 필요하였다 . 이러한 새로운 구조의 개발에 의해 가스 방전 표시 장치가 고해상도의 대용량의 표시 장치로 이용이 될 수 있는 가능성을 보여줌으로써 전환기를 맞이하게 되었으나 , 방전현상의 특성상 한 개의 셀을 어드레스하여 방전을 발생시키면 그 라인의 전위가 저하해서 동일한 라인의 다른 셀을 점화 방전시킬 수 없게 되며 , 이 결점을 개선하기 위해서는 모든 방전 셀에 저항을 붙여서 방전전류를 제어하고 방전의 발생에 의한 전위의 저하를 어드레스한 각각의 셀에만 국한 할 필요가 있었으나 , 각 셀에 고저항을 부과하는 것은 당시제조 기술로서는 불가능하였으며 , 도트 메트릭스 방식의 플라즈마 디스플레이를 실용화하는 단계에는 이르지 못하였다 . 이러한 결점은 1964 년 일리노이 대학의 Bitzer와 Slottow에 의한 AC 형 구조의 채용에 의해 극복될 수 있었다 . 이 구조는 금속전극의 표면에 유전체를 균일하게 덧댐으로써 각각의 셀에 용량성 저항을 부과할 수 있었다 . 이것에 의해 한 개의 셀이 방전하면 인접하는 다른 셀이 방전하지 않는 결점이 해결되었으며 , 더욱이 메모리 기능이라는 극히 유용한 기능도 얻을 수가 있었다 . 이 AC형 플라즈마 디스플레이의 발명은 1968 Illinois 대학의 Owens 등에 의한 개발연구로서 실용화되었다 . AC 형 플라즈마 디스플레이의 발명에 자극되어 1970년 Burrough 사의 Holz 와 Ogle은 TM 형의 플라즈마 디스플레이를 발명하여 실용화하였다 . TM 형 디스플레이는 하전 입자의 확산 작용을 이용한 Shift Addressing 기술을 이용하여 구동하는 기술로서 , 구동소자의 수를 대폭 줄일 수 있는 장점을 갖고 있었다 .

한편 , 일본에서는 1970 년대 초반부터 NHK, Hitachi 및 Sony 사 등이 HDTV 개발을 위한 연구에 착수면서 PDP 를 표시장치로 이용하는 연구 시작되었다 . 각사에서는 PDP 의 대형화 및 고정세화 기술을 독자적으로 개발하였으며 , 각각의 고유 전극 구조를 선정하여 Engineering Work Station Monitor 및 HDTV 구현을 목표로 꾸준한 기술 개발이 이루어졌다 . 이러한 연구를 기반으로 1980년대 초반 atsushita는 포터블 컴퓨터용 Monochrome DC PDP 를 상업화 할 수 있었으며 , NHK 는 HDTV 구현을 목표로 대형화에 용이한 DC PDP 의 개발을 지속적으로 진행해 왔다 . 특히 NHK 는 펄스 메모리 기능을 이용한 구동 방식의 채용 및 대형화·고정세화 기술 개발을 통하여 PDP의 기술 개발을 주도하고 있다 . AC PDP 에 있어서는 Photonics 사가 고화질 디스플레이 장치의 제작에 용이한 Twin substrate 형 칼라 PDP 를 연구하고 있으며 ,Fujitsu, Thomson 및 Plasmaco 등의 회사에서 고휘도 , 장수명 특성을 갖는 Single substrate형 칼라 PDP의 연구를 진행하고 있다 . 특히 Plasmaco 에서는 ISA(Independent Sustain & Address) 및 에너지 회수 (EnergyRecovery) 구동 방식을 개발하여 구동회로 간략화 및 소비 전력 감소를 보고하였으며 , Fujitsu에서는 ADS(Address & DisplaySeparate) 방식을 개발하여 이제까지 AC 형에서 문제가 되어왔던 256계조의 문제를 해결하였다 . 현재까지 보고된 개발 실적을 간략히 살펴보면 ,1988년 otonics 에서 Mono 형의 60인치 AC PDP 를 개발하여 대형화의 가능성을 제시하였으며, 같은 해 NHK에서 20 인치급 DC PDP 를 발표하였다 . 1991 년 Photonics에서 64 계조의 TV monitor 용 칼라 AC PDP 를 개발하였으며 , 이어서 1992년 Thomson Tubes Electronics 에서 0.4mm pixel pitch 를 갖는 고해상도의 22인치 Full 칼라 AC PDP 개발하였다 .1993년은 PDP 기술 개발의 획기적인 전환기가 시작된 해로서 ,Fujitsu에서 21 인치 면방전형 칼라 AC PDP 의 양산이 최초로 시작되었다 . 또한 ,NHK에서 고화질의 HDTV용 40 인치 Full color DC PDP 를 개발하였으며 , Plasmaco 에서는 1024 × 768 pixels의 고해상도의 30 인치 Engineering Workstation 용 Monitor 를 개발하여 , PDP 의 HDTV 구현 가능성을 입증하였다 . 1996 년 5월 미국 SID 전시회에서 보고된 PDP를 살펴보면 ,Fujitsu에서 종횡비 16:9의 42 인치의 면방전형 AC PDP를 보고하였으며 ,NEC 가 고휘도 특성을 갖는 33인치 칼라 AC PDP를 보고하였다 . 또한 Plasmaco 에서 노트북용의 21인치용 AC PDP 를 보고하였다 .이상의 활발한 PDP연구를 통하여 얻어진 결과를 기반으로 CRT에 못지않은 화질을 갖으면서 40"이상의 크기를 갖는 초대형 full color PDP의 실용화가 활발하게 이루어지고 있으며 1997년에서는 양산설비에서 만들어지는 40"이상 크기의 PDP를 채용한 벽걸이 TV가 시장에 등장할 전망으로 보여지고 있고, 궁극적으로는 PDP를 채용한 HDTV 및 Internet TV를 볼 수 있는 시점이 곧 도래하리라 보여진다.

3. PDP의 특징

① 생산성 PDP는 구조가 간단하므로 전체 공정수가 대략 TFT-LCD는 65공정인데 반하여 PDP는 27공정에 불과하고, 패턴의 미세도도 TFT-LCD의 약 1/4에 불과하여 만들기가 쉽다. 더구나 신규의 공장설비에 투자비가 많이 드는 TFT-LCD에 비하여 PDP는 기존의 CRT 공정라인을 대체하여 사용할 수 있으므로, 차후 TFT-LCD등에 비하여 가격 경쟁력이 있다.

② 대형, 경량, 박형화 PDP는 각 셀에 트랜지스터등 외부부품의 필요없이 자체 구조만으로 높은 콘트라스트가 실현되고, 주사수가 1000개 이상의 대화면이라도 단지 전극라인과 유리패널, 격벽등 자체부품의 길이만을 늘리면 구현가능하며, 또 그렇다고 해서 면평균 휘도가 저하되지도 않는다. 또한, 40인치 이상인 경우, 무게가 40Kg, 두께는 10cm정도(CRT의 1/10)에 불과하여 벽걸이 TV에 적합하다.

③ 화질 및 구동성 PDP는 가스방전에 의하여 발생된 자외선이 형광체를 자극하여 RGB의 풀칼라를 직접 방출하므로 CRT수준의 색재현에 필적한다. 그 구동방식은 고화질 TV용 256계조 고속구동방식이므로 아날로그 인터페이스 없이 차세대 디지털 TV에 바로 결합되어 디지털 화상처리에 유리하고, PDP의 가스방전은 임계점 이상의 전압에서만 방전을 일으키는 강한 비선형 특성을 지니므로, PDP는 단순한 매트릭스 형태의 전극배열로 다수의 화소를 보조장치없이 선택적으로 구동할 수 있어 대화면 패널구동이 용이하다. 그리고, AC PDP의 경우 방전시 발생된 전하가 유전체의 표면에 축적 및 저장되어 매우 긴 시간동안의 방전기억이 가능하게 되므로 동영상 구동이 용이하다.

④ 광시야각 TFT-LCD와는 달리 PDP는 자체발광소자이므로 외부광이 필요하지 않고, 내부 격벽으로부터 반사되는 빛이 시야각을 넓혀주기 때문에 160°이상의 광시야각을 가진다.

⑤ 내열, 내한, 내자계 특성 PDP는 패널 자체의 경우 -40∼90℃에서도 정상적인 동작을 하나 단지 부속장치인 구동회로 자체의 온도특성에 따라 제한을 받는 정도이고, CRT나 LCD의 단점인 자계에 의한 왜곡특성이 PDP에는 나타나지 않는다.

⑥ 수명 형광체의 열화특성에 기인하여 현재 수명은 MgO 보호층을 가진 AC PDP의 경우 약 2∼3만시간 정도이다.

4. PDP 구동원리

2장의 유리 기판은 0.1mm의 작은 간격을 유지하고 있는데 그 사이에 네온과 크세논 등의 가스를 채워 수많은 격벽으로 구성된 방전공간에 3원색(R,G,B)의 형광체를 발라,유리기판에 설치한 전극에 전압을 가하면 방전현상이 일어나고 여기서 발생한 자외선이 형광체에 부딪히면서 빛이 일고 이를 조합해 화상을 구현하는 것이 PDP의 기본원리이다.

PDP는 구동 방식에 따라 크게 DC 형과 AC 형으로 나눌 수 있으며 각 각 구동 원리에 차이가 있다.

① DC형(직접방전형) 특징

전극이 방전공간에 노출되어 직류전압으로 구동하는 방식이며, DC형은 Refresh방식에 의한 구동이기 때문에 구동회로는 간단하지만 종화 방전을 막기 위해 방전 셀 간에 분리하는 격벽(Barrier)을 설치하여 Panel 구조가 복잡하다.

DC형 PDP의 구조는 각 셀이 격벽에 의해 독립되어 있고, 전후면 Panel에 양극과 음극이 형성되어 있다. 또한 DC의 경우 전류 제한용 저항이 있으며, 이러한 셀들이 구성되어 있는 전면, 후면 Panel를 Sealing한 상태에서 방전가스를 충천시키고 DC전원을 인가한다.

전면 기판에는 음극과 수직 방향, 즉 격벽과 평행하게 양극을 형성한다. 양극에는 별도의 격벽은 필요 없다. 전면 기판과 배면 기판을 붙여 그 가장 자리를 진공 상태에서 붙이고,마지막으로 기체를 주입한다. 양극과 음극 사이에 방전 보호 저항을 넣고 DC전압을 인가하면 그 교점에서 발광하게 된다.

② AC형(간접방전형) 특징

전극이 얇은 Glass성분의 절연체로 덮여 있고, 200Khz 내외의 Pulse 전압으로 구동한다. 구동방식에는 일단 방전한 후, 낮은 방전유지 전압을 가하여 방전이 지속되는 Memory방식과 표시해야 할 전극 사이에 전압이 높은 펄스 전압을 인가하여 방전시키는 Refresh방식이 있다.

AC형 PDP의 구조에서는 각 셀이 격벽에 의해 독립되고, 전후면 Panel에 전극이 형성되어 있는 것이 특징이고, 각 전극에 정현파 교류전압 또는 펄스 전압을 인가하여 방전을 일으킴으로써, 빛이 전면 Glass를 통해 영상을 볼 수 있다. DC형과 같이 배면 기판 위에 수직 전극을 평행하게 설치하고 그 전극을 유전체로 절연하는데, 가스 방전을 이용하는 것에 관계없이 전극을 절연하는 것이 핵심이다. 유전체의 표면에는 방전 특성을 높이기 위해서 MgO를 증착하여 사용한다.

AC형은 다시 대향 방전형과 면방전형으로 나뉘는데, 대향 방전형은 방전시 나오는 이온에 의한 형광체 열화로 인해 수명이 단축되는 문제가 있는 반면, 면방전형은 형광체 열화로 인해 수명이 단축되는 문제가 있다. 면방전형은 방전을 형관체 반대편 면으로 모아 형광체 열화를 최소화함으로써 대향형 구조의 문제점을 극복하였고, 현재 대부분의 PDP구조로 사용되고 있다.

<참고 : 한국디스플레이연구조합, 디스플레이 뱅크>