KR100344797B1 - 플라즈마 디스플레이 패널의 방전가스 - Google Patents

Abstract

플라즈마 디스플레이 패널의 방전가스에 관한 것으로, 기존의 자외선보다 긴 파장의 자외선을 생성할 수 있는 방전가스를 제공하여 형광체의 에너지효율을 높이는 데에 그 목적이 있으며, 제논(Xe)이 포함된 불활성 가스 혼합물에 요오드(I₂) 가스를 소정의 비율로 첨가한 것이 특징으로서, 종래의 방전가스에 비하여 플라즈마 방전으로 인하여 방출되는 자외선의 파장이 더 길어 형광체의 에너지 효율이 종래보다 더 향상되는 효과가 있다.

Description

플라즈마 디스플레이 패널의 방전가스{Discharge gas of plasma display panel}

본 발명은 플라즈마 디스플레이 패널에 관한 것으로, 특히 방전가스에 관한 것이다.

플라즈마 디스플레이 패널은 음극선관(CRT : Cathode Ray Tube)의 선명한 화질과 다양한 화면크기 및, 경박(輕薄)한 액정표시장치의 장점을 모두 가지고 있어 차세대 표시장치로서 각광을 받고 있다. 플라즈마 디스플레이 패널은 일반적으로 동일한 화면크기를 가진 음극선관에 비하여 ⅓ 정도의 중량을 가져 가볍고, 40 내지 60 인치의 대형 패널이라 할지라도 10 ㎝ 이하의 두께로 얇은 특징이 있다.

뿐만 아니라, 음극선관이나 액정표시장치는 디지털 데이터 영상과 전체 동영상(full motion)을 동시에 표현할 때에, 크기 제한이 따르는 문제가 있으나, 플라즈마 디스플레이 패널은 이러한 문제가 발생하지 않는다. 또한, 음극선관이 자기력에 영향을 받는 문제가 있는 반면, 플라즈마 디스플레이 패널은 자기력에 영향을 받지 않아 안정적인 영상을 시청자에게 제공할 수 있다. 게다가 각 화소가 디지털적으로 조절되므로, 화면 구석의 영상이 일그러지지 않는 특성이 있어 음극선관보다 뛰어난 화질을 제공할 수 있다.

플라즈마 디스플레이 패널은 전극이 입혀진 두 개의 유리기판으로 이루어져 있고, 각 유리기판에 형성된 전극은 서로 수직방향으로 대향하여 위치하며, 전극의 교차부마다 화소의 역할을 수행한다. 플라즈마 디스플레이 패널의 동작은 가정용 형광등의 동작원리와 거의 동일하다.

일반적인 3전극 면방전 방식의 플라즈마 디스플레이 패널은 도 1a에 도시된 것과 같이 서로 대향하여 설치된 상부기판(10)과 하부기판(20)이 서로 합착되어 구성된다. 도 1b는 도 1a에 도시된 플라즈마 디스플레이 패널의 단면구조를 도시한 것으로서, 설명의 편의를 위하여 하부기판(20) 면이 90°회전되어 있다.

상부기판(10)은 서로 평행하게 형성된 스캔전극(16, 16')과 서스테인 전극(17, 17'), 그리고 스캔전극(16, 16')과 서스테인 전극(17, 17')을 도포하는 유전층(11), 및 보호막(12)으로 구성되어 있으며, 하부기판(20)은 어드레스전극(22)과, 어드레스전극(22)을 포함한 기판 전면에 형성된 하부 유전층(21), 어드레스전극(22) 사이의 하부 유전층(21) 위에 형성된 격벽(23), 그리고 각 방전셀 내의 격벽(23) 및 하부 유전층(21) 표면에 형성된 형광체(24)로 구성되어 있으며, 상부기판(10)과 하부기판(20) 사이의 공간은 헬륨(He), 제논(Xe) 등의 불활성 가스가 혼합되어 400 내지 500 Torr 정도의 압력으로 채워져 방전영역을 이루고 있다.

일반적으로 직류형 플라즈마 디스플레이 패널의 방전공간에 채워지는 불활성 가스는 헬륨-제논(He-Xe)의 혼합기체가 사용되고, 교류형 플라즈마 디스플레이 패널의 방전공간에 채워지는 불활성 가스는 네온-제논(Ne-Xe)의 혼합기체가 사용된다.

스캔전극(16, 16')과 서스테인 전극(17, 17')은 각 방전셀의 광투과율을 높이기 위하여 도 2a와 도 2b에 도시된 것과 같이 투명전극(16, 17) 및, 금속으로 된 버스전극(16', 17')으로 구성되어 있다. 도 2a는 서스테인 전극(17, 17')과 스캔전극(16, 16')의 평면도이며, 도 2b는 서스테인 전극(17, 17')과 스캔전극(16, 16')의 단면도이다. 버스전극(16', 17')은 외부에 설치된 구동 IC로부터 방전전압을 인가받고, 투명전극(16, 17)은 버스전극(16', 17')에 인가된 방전전압을 전달받아 인접한 투명전극(16, 17) 사이에 방전을 일으키는 것이다. 투명전극(16, 17)의 전체 폭은 대략 300 마이크로 미터(㎛) 정도로 산화인듐 또는, 산화주석으로 이루어지고, 버스전극(16', 17')은 크롬(Cr)-구리(Cu)-크롬(Cr)으로 구성된 3층의 박막으로 이루어진다. 이 때, 버스전극(16', 17') 라인의 폭은 대략 투명전극(16, 17) 라인의 1/3 정도의 폭으로 설정된다.

상술한 바와 같이 구성된 3전극 면방전 방식의 AC형 플라즈마 디스플레이 패널의 동작은 도 3a 내지 도 3d에 도시된 것과 같다.

먼저, 어드레스 전극과 스캔 전극 사이에 구동전압이 인가되면, 도 3a와 같이 어드레스 전극과 스캔 전극 사이에 대향방전이 일어난다. 이 대향방전에 의해 방전셀 내에 주입된 불활성가스가 순간적으로 여기되었다가 다시 기저상태로 천이하면서 이온(ion)들이 발생되고, 이 때 발생된 이온들, 혹은 준여기상태의 원자들 중 일부가 도 3b에 도시된 것과 같이 보호층 표면에 충돌한다. 이러한 전자의 충돌로 인하여 보호층 표면에서 2차적으로 전자가 방출된다. 그리고, 2차적으로 방출된 전자들은 플라즈마 상태의 가스에 충돌하여 방전을 확산시킨다. 어드레스 전극과 스캔전극 사이의 대향방전이 끝나면, 도 3c에 도시된 것과 같이 각 어드레스 전극과 스캔전극 위의 보호층 표면에는 각각 반대극성의 벽전하가 생성된다.

그리고, 스캔 전극과 서스테인 전극에 서로 극성이 반대인 방전전압이 지속적으로 인가되면서, 동시에 어드레스 전극에 인가되던 구동전압이 차단되면, 도 3d에 도시된 것과 같이 스캔 전극과 서스테인 전극 상호간의 전위차로 인하여 유전층과 보호층 표면의 방전영역에서 면방전이 일어난다. 이러한 대향방전과 면방전으로 인하여 방전셀(cell) 내부에 존재하는 전자들이 방전셀 내부의 불활성 가스에 충돌하게 된다. 그 결과, 방전셀의 불활성 가스가 여기되면서 방전셀 내에 147nm의 파장을 갖는 자외선이 발생한다. 이러한 자외선이 어드레스 전극과 격벽 주위를 둘러싸고 있는 형광체와 충돌하여 형광체가 여기된다. 여기된 형광체는 가시광선을 발생시키게 되고, 이러한 가시광선으로 인하여 화면에 화상이 구현된다.

이 때, 불활성 가스의 페닝효과(penning effect)에 의하여 자외선이 더욱 용이하게 발생된다. 페닝효과는 매우 큰 충돌단면적을 가지는 준안정 상태의 입자에 의해 이온화 반응이 더욱 촉진됨으로써, 타운젠트의 알파 프로세스(α- process)를 증대시키는 것이다. 예를 들어, 헬륨과 제논의 혼합가스, 그리고 네온과 제논의 혼합가스의 페닝효과는 다음과 같다.

He^*+ Xe -> Xe⁺+ e^-+ He

Ne^*+ Xe -> Xe⁺+ e^-+ Ne

상기 He와 Ne은 방전가스의 주성분을 이루는 가스들이고, Xe는 부가된 가스이며, He^*와 Ne^*는 각각의 준안정 상태의 입자이거나 여기 상태의 입자들이다. 이러한 여기 상태의 입자들은 생존시간(life time)이 안정상태의 입자보다 길어 충돌단면적이 크다. 따라서, 여기 상태의 입자들은 안정상태의 입자보다 다른 입자들과 충돌할 확률이 높다. 그러므로, 제논 가스만 존재할 때에 비하여 헬륨과 네온 가스와 함께 존재할 때에 이온화가 더욱 촉진되는 것이다.

그런데, 종래의 플라즈마 디스플레이 패널의 방전가스에 포함된 제논(Xe)은 147 나노미터(nm) 파장의 네거티브(negative column) 자외선과 174 나노미터(nm) 파장의 포지티브(positive column) 자외선을 이용하여 형광체를 여기시킴으로 인하여 형광체의 발광효율이 낮은 문제점이 있다. 즉, 헬륨과 네온 및 제논으로 구성된 종래의 방전가스는 플라즈마 방전에 의해 생성된 자외선의 생성효율이 6% 정도로 낮고, 또한 형광체의 발광효율이 26% 내지 28% 정도로서, 휘도를 높이려면 소비전력이 증가하는 문제점이 발생한다. 형광체의 에너지효율을 계산하는 식은 다음과 같다.

(방전가스의 방출 자외선 파장) / (형광체의 가시광선 파장)

다음의 수학식 1은 종래의 방전가스에서 발광하는 형광체의 에너지효율을 계산한 것이다.

(147 ∼ 173 ㎚)/550 ㎚ = 26 ∼ 28 %

그리고, 형광체를 여기시키는 자외선과 형광체에서 발생한 가시광선 간의 파장의 차이가 크므로, 그 파장차이에 해당하는 에너지가 열로 발생하여 형광체가 열화되는 문제점이 발생한다. 뿐만 아니라, 네온 가스에서 발생하는 가시광선에 의해 형광체의 색순도가 저하되는 문제점도 발생한다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존의 자외선보다 긴 파장의 자외선을 생성할 수 있는 방전가스를 제공하여 형광체의 에너지효율을 높이는데에 그 목적이 있다.

도 1a와 도 1b는 일반적인 플라즈마 디스플레이 패널의 구조를 도시한 도면

도 2a와 도 2b는 플라즈마 디스플레이 패널의 스캔전극과 서스테인 전극의 구조를 도시한 도면

도 3a 내지 도 3d는 플라즈마 디스플레이 패널의 방전원리를 도시한 도면

도 4는 본 발명의 플라즈마 디스플레이 패널의 구조를 개략적으로 도시한 도면

도면의 주요부분에 대한 기호설명

100 : 상부기판 110 : 유전체층

120 : 보호막 160, 170 : 방전전극(투명전극)

160', 170' : 버스전극(금속전극) 200 : 하부기판

210 : 하부유전층 220 : 어드레스 전극

230 : 격벽 240 : 형광체

본 발명은 종래의 제논이 포함된 불활성 혼합가스에 요오드(I₂) 가스를 첨가하여 장파장의 자외선을 발생할 수 있는 것이 특징이다.

본 발명의 방전가스가 채용된 플라즈마 디스플레이 패널은 종래의 구조와 거의 동일하다. 상부기판(100)은 서로 평행하게 형성된 스캔전극(160, 160')과 서스테인 전극(170, 170'), 그리고 스캔전극(160, 160')과 서스테인 전극(170, 170')을 도포하는 유전층(110), 및 보호막(120)으로 구성되어 있다. 스캔전극은 투명전극으로 이루어진 방전전극(160)과 금속전극으로 이루어진 버스전극(160')으로 이루어져 있으며, 서스테인 전극 역시, 투명전극으로 이루어진 방전전극(170)과 금속전극으로 이루어진 버스전극(170')으로 이루어져 있다.

하부기판(200)은 어드레스전극(220)과, 어드레스전극(220)을 포함한 기판 전면에 형성된 하부 유전층(210), 어드레스전극(220) 사이의 하부 유전층(210) 위에 형성된 격벽(230), 그리고 각 방전셀 내의 격벽(230) 및 하부 유전층(210) 표면에 형성된 형광체(240)로 구성되어 있으며, 상부기판(100)과 하부기판(200) 사이의 공간은 헬륨(He), 제논(Xe) 등이 포함된 불활성 가스의 혼합가스가 채워져 방전영역을 이루고 있다.

본 발명의 특징부인 혼합가스는 플라즈마 방전을 일으키는 불활성 혼합 가스에 요오드(I₂) 가스가 소정의 비율로 첨가된 것이다. 이 때, 혼합가스 전체의 압력은 300 토르(Torr) 내지 500 토르(Torr)의 범위를 가지며, 요오드 가스의 혼합비는 전체 가스 혼합비의 10 퍼센트(%) 이내인 것이 바람직하다.

요오드 가스가 첨가되는 혼합가스는 헬륨, 네온, 아르곤, 또는 제논 등의 불활성 가스들을 적정비율로 혼합하여 이루어진다.

요오드(I₂) 가스는 플라즈마 방전 시에, 동일한 조건의 제논(Xe)에 비하여 파장이 긴 자외선을 방출한다. 이러한 요오드 가스의 페닝효과는 다음과 같다.

먼저, 전자가 제논과 충돌하여 제논을 여기시킨다.

e^-+ Xe -> Xe^*+ e^-

또는, 전자가 제논과 충돌하여 제논을 이온화시키며, 동시에 제논에서 전자가 하나 방출된다.

e^-+ Xe -> Xe⁺+ 2e^-

그리고, 전자가 요오드 가스와 충돌하여 요오드 가스를 요오드 원자와 요오드 음이온으로 분리시킨다.

e^-+ I₂-> I + I^-

제논 이온과 요오드 이온 및, 그 밖의 불활성 가스입자가 충돌하여 여기상태의 요오드화 제논과 불활성 가스입자를 방출한다.

Xe⁺+ I^-+ M -> XeI^*+ M (이 때, M = Ar, Ne, 또는 그밖의 가스입자)

또는, 여기상태의 제논과 요오드 가스가 충돌하여 여기상태의 요오드화 제논과 요오드 입자를 방출한다.

Xe^*+ I₂-> XeI^*+ I

상기 여기상태의 요오드화 제논이 제논과 요오드 입자로 안정화되면서 동시에, 장파장의 자외선을 방출한다.

XeI^*-> Xe + I + 자외선

이 때, 방출되는 자외선은 253 나노미터(㎚) 정도의 장파장 자외선이다. 그리고, 이러한 자외선에 의한 형광체의 에너지 효율은 다음과 같다.

253 ㎚ / 550 ㎚ = 46 %

따라서, 본 발명의 방전가스는 형광체의 발광효율이 종래의 것보다 약 2 배 가량 더 높아진다.

본 발명의 방전가스는 종래의 방전가스에 비하여 플라즈마 방전으로 인하여 방출되는 자외선의 파장이 더 길다. 따라서, 형광체의 에너지 효율이 종래보다 더 향상되는 효과가 있다. 그리고, 여기상태의 가스에서 방출되는 자외선 파장과 형광체에서 방출되는 가시광선 파장 간의 차이가 줄어들어 발열량이 줄어드는 효과가 있어 형광체의 열화도 방지할 수 있게 된다. 그로 인하여 단파장 자외선 여기용 형광체를 별도로 사용하지 않아도 되므로, 제조 단가를 줄일 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 네온(Ne) 가스의 함량이 종래보다 적어 네온의 발광에 의한 색순도저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 플라즈마 디스플레이 패널에서,

   제논(Xe)이 포함된 불활성 가스 혼합물에 요오드(I₂) 가스를 소정의 비율로 첨가한 것을 특징으로 하는 플라즈마 디스플레이 패널의 방전용 혼합가스.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합가스의 압력은 300 토르(Torr) 내지 500 토르(Torr)의 범위인 것을 특징으로 하는 플라즈마 디스플레이 패널의 방전용 혼합가스.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 불활성 가스 혼합물은 네온(Ne) 기체가 포함된 것을 특징으로 하는 플라즈마 디스플레이 패널의 방전용 혼합가스.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 불활성 가스 혼합물은 아르곤(Ar) 기체가 포함된 것을 특징으로 하는 플라즈마 디스플레이 패널의 방전용 혼합가스.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 요오드 가스의 혼합비는 상기 전체 혼합가스의 압력비의 10 퍼센트 이내인 것을 특징으로 하는 플라즈마 디스플레이 패널의 방전용 혼합가스.