KR20030005683A - 플라즈마 방전 평면 광원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공상태로 밀봉된 두 장의 유기기판 사이에 Plasma 방전공간을 형성하여 방전 가스를 주입하고, 전면판위에 연속하여 형성된 방전 유지 전극 패턴에 방전 전압 펄스를 인가하면 Plasma방전을 일어나고 발생된 UV에 의해 배면판의 형광체를 여기시켜 가시광을 발광시키는 포토루미네슨스(Photoluminescence) 메커니즘을 이용한 평면 광원에 대한 제조 및 활용 방법에 대한 기술적인 내용으로, 전면 유리 기판위에 형성된 방전 유지 전극 패턴으로 방전 영역을 구획하고 선택한 방전 영역의 방전 유지 전극쌍에 방전 개시 전압 이상의 AC 전압을 인가하면 형광체 패턴의 일부만을 선택하여 발광시킬 수 있는 장점을 갖는다.

Description

플라즈마 방전 평면 광원 {Plasma Discharging Flat Light Source}

조명과 디스플레이 장치는 인간생활의 필수적인 한 부분을 차지하고 있다. 사물을 비추기 위한 조명으로부터 다양한 발광 메커니즘을 이용한 동영상 정보 디스플레이 장치에 이르기까지 빛을 내는 것만으로도 인간의 눈에는 의미가 있다. 어둠만을 밝혀 주었던 전구에서부터 실내외 인테리어 및 각종 전자기기(machine)는 다양한 정보를 시각을 통해 인간(man)에 전달하는 인간과 전자기기를 연결하는 가교적인 역할(interface)을 담당하는 요소장치등으로 사회전반에 걸쳐 널리 응용되어 사용되며 다양화되면서 발전을 거듭하고 있다.

본 발명은 포토루미네슨스(Photoluminescence) 메커니즘을 이용한 평면 광원 기술에 관한 내용으로, 진공상태로 밀봉된 두 장의 유기기판 사이에 Plasma 방전공간을 형성하여 방전 가스를 주입하고, 전면판위에 연속하여 형성된 방전 유지 전극 패턴에 방전 전압 펄스를 인가하여 Plasma방전을 일으켜 발생된 UV에 의해 배면판의 형광체를 여기시켜 가시광을 발광시키는 광원장치를 다룬다.

방전은 도 6의 전면판(48)에 형성된 방전유지전극쌍 ( 이하 X, Y전극으로 명칭하여 사용한다.)에 방전 유지 전압 Vs를 인가함으로써 방전공간의 전자가 방전공간내의 전기장에 의하여 가속되어 원자를 이온화시키고 이온화에 의한 전자가 가속되어 원자를 여기시키는 과정으로 이루어진다. 여기된 원자는 자외선을 방출시키고 방출된 자외선은 배면판(46)의 형광체(47)에 흡수되어 가시광을 발광한다.

본 발명의 평면 광원 장치가 응용될 수 있는 인테리어 조명 디스플레이 기구의 광원으로서 사용되어온 대표적인 현재까지의 광원으로는 전구, 형광등 램프등과같이 구형이나 원통형의 광원을 사용하여 왔다. 그 광원은 주로 백색광을 위주로 한 단색광을 발하도록 되어 있어 여러 가지의 다양한 색을 선택적으로 발할 수 없다.

본 발명은 평면 글래스를 이용하여 제작하므로 광원의 형태를 평면 형태로 제공하며, 평면 형태의 광원이기 때문에 빛의 방사는 평면의 수직방향으로의 광속이 평면광원의 수평 방향과의 각도 θ의 sin²θ 에 비례하는 특성을 얻는다.

본 발명은 도 3의 배면판의 형광체의 인쇄 패턴을 자유롭게 구성할 수 있어 빛을 내는 광원의 모양을 시각적으로 다양하게 연출할 수 있고, R, G, B 형광체의 배합으로 원하는 색상을 만들수 있으므로 형광체 페이스트를 직접 원하는 형태와 색상의 패턴으로 인쇄하여 제작하면 평면 디스플레이로서 사용할 수 있다.

도 1. 투명 전극만으로 형성된 전면판 방전 유지 전극 패턴도

도 2. 투명 전극으로 면방전 영역을 구획하고 비저항이 낮은 금속 버스 전극으로 전극패드와 투명전극을 회로 연결하여 투명전극의 높은 비저항으로 인한 인가 전압 강하를 개선한 전면판 방전 전극 패턴도

도 3. 형광체를 패턴 인쇄하여 다양한 발광 무늬를 얻을 수 있는 배면판 형광체 인쇄 패턴 예

도 4. 전면판과 배면판의 봉착 측단면도

도 5. 방전 유지 전압 펄스 파형 예

도 6. 플라즈마 면방전 메커니즘도

전면판 구성

도 1 전면판 방전 전극 패턴도 ITO투명전극만으로 방전전극이 형성되어 있다. 전면판의 플라즈마 방전 영역

전면판은 글래스 두께 약 2~3㎜의유리 기판의 한 면에 도 1 전면판 방전 전극 패턴도 와 같이 투명 전극 패턴을 형성한다. 형성 방법은 Sputtering, E-Beam 진공증착등과 같은 반도체 박막 형성 공정을 사용하는 방법과, 투명전극재료 페이스트를 이용한 패턴 인쇄와 같은 후막 패턴 형성 공정을 이용할 수 있다.

박막 형성 공정을 사용할 경우, 다음과 같이 사진 식각 공정을 이용하여 원하는 패턴을 형성한다. 먼저 투명전극은 현재 많이 사용되고 있는 ITO( Indium Tin Oxide) 타겟을 Sputtering장비를 이용하여 유리 기판의 표면에 박막을 형성한다. ITO 박막의 두께는 약 1,000~2,000Å정도이나 원하는 최종 제품의 사이즈와 금속 전극의 추가 여부에 따라 달라질수 있으며 최종 완성 제품의 사이즈가 ITO 투명전극만으로 충분히 플라즈마 방전을 일으킬 수 있을 정도의 크기이면, ITO 전극만으로 충분한 플라즈마 방전을 일으킬 수 있도록 충분히 작은 저항을 갖도록 ITO의 두께를 결정하여 ITO 전극 패턴의 저항을 관리하여야 한다.

ITO 박막을 형성한 후 Photo resist을 도포 또는 DFR( Dry Film Resist)을 이용하여 원하는 패턴을 형성한다. DFR을 이용하여 패턴을 형성할 경우, 먼저 DFR을 ITO COATED GLASS에 라미네이팅하고, 원하는 패턴의 포토 마스크를 사용하여 UV광을 쬐어 DFR의 선택적인 부분을 광중합시키고(Negative PR인 경우), 현상하여 원하는 DFR 패턴을 형성한다.

현상을 하여 DFR 패턴을 형성한 후, ITO 에칭액을 이용하여 ITO막을 에칭한 후, DFR을 박리시켜 원하는 ITO 전극 패터닝을 완성한다. 도 1은 ITO 투명전극만으로 방전유지전극을 형성한 전면 기판을 나타낸다. 면방전영역(19)은 제1투명 방전 유지 전극(11,12,13)과 제2투명 방전 유지 전극(14,15,16) 각각의 쌍 일정한 갭 (약 100~200㎛)을 갖도록 형성된다. ITO 전극은 인접한 전극간에 교번 기전력을 가하여 플라즈마 방전을 일으키는 아주 중요한 역할을 하므로 ITO 전극간의 거리는 플라즈마 방전의 임계전압과 효율에 큰 영향을 미친다.

ITO 전극위에 AC 방전 전압을 인가시 절연막의 역할을 하는 투명유전체층(17)을 20~50㎛의 두께로 형성한다. 이 유전체는 가시광을 투과시키기 위해 투명한 특성을 가지고 있어야 한다. 이 투명 유전체층의 형성은 유전체 페이스트를 원하는 패턴을 갖는 스크린 마스크를 이용하여 스크린 인쇄한 후, 건조와 소성공정을 거쳐 투명한 유전체층을 형성한다. 이 투명 유전체층은 유리의 성분과 비슷한 SiO2, PbO, CaO, MgO 등의 분말 성분을 조합하여 만들며, 이 혼합 분말에 바인더 및 유기 용제를 적절히 혼합하여 스크린 인쇄에 필요한 점도와 스크린 성능을 갖도록 만든다.

전면판의 공정중 투명전극만으로 플라즈마 방전을 일으키기 어려울 경우, 도 2와 같이 전도도가 우수한 금속 전극(31)을이용하여 투명 전극위에 금속 전극을 형성하고 전극패드와 투명전극을 회로 연결하여 투명전극의 고비저항으로 인한 인가 전압 강하를 개선한 충분한 전도체의 역할을 보조하도록 한다. ITO 박막의 면저항은 막두께가 1300±200Å일 때 약 12~20Ω/□이며, ITO 회로선폭(200~1000㎛내외)의 1/4~1/5을 갖는 금속 전극을 사용할 경우 선저항을 약1/500~1/1,000로 낮출 수 있게 된다. 금속 전극의 형성 방법은 금속 전극 페이스트를 금속 전극의 형태가 패터닝된 스크린 마스크를 이용하여 스크린 프린팅 방법으로 형성한다. 금속 전극 페이스트는 주로 전도도가 우수한 Ag분말에 바인더와 유기용제를 혼합하여 인쇄에 필요한 점도 특성을 갖는 페이스트를 만들어 사용한다.

배면판 구성

배면판은 도 3과 같이 글래스 기판(36)위에 방전 가스의 플라즈마 방전으로부터 방사되는 VUV에 의해 가시광선을 발광하는 형광체의 패턴(33,34,35)을 형성하여 완성한다. 이 때 형광체 패턴의 위치와 면적은 도 2의 면방전 영역(29)안에 들어가도록 20과 같이 형성하도록 한다.

형광체는 방전 가스로부터 방사되는 VUV 파장대에 가시광 발광효율이 높은 형광체를 사용하며, 이 형광체 패턴의 형성은 형광체 페이스트를 스크린 마스크를 이용하여 패턴 인쇄한다.

형광체 페이스트는 RGB 각 형광체를 적당량 혼합하여 다양한 원하는 색을 만들어 낼 수 있으므로, 발광시 칼라풀한 패턴을 만들어낼 수 있다.

봉착, 배기

완성된 전면판(도 1, 2)과 배면판(도 3)을 방전공간을 형성하기 위해 도 4와 같이 방전공간에 필요한 거리를 유지할 수 있는 스페이서(39)를 전면판과 배면판사이에 위치하고 두 유리 기판의 모서리부분을 접합하여 방전공간을 형성한다. 모서리 부분의 봉합은 방전공간을 진공 배기 및 방전가스를 주입할 수 있는 배기통로를 제외한 나머지 부분이 밀봉될 수 있도록 실링 페이스트를 디스펜싱한 후 소성하여 접착한다. 또 다른 방법으로는 모서리 부분에 원하는 형태의 몰드를 만들고 접착제를 이용하여 전면판과 배면판을 각각 접착한다.

접합된 패널내의 방전공간내의 공기를 배기하여 진공의 상태로 만든 후 방전가스를 주입한다. 방전 가스는 비활성 가스를 혼합하여 만들며, Ne-Xe 2원가스 또는, He-Ne-Xe 3원 가스를 적정량 혼합하여 사용한다.

구동 회로 구성

가스 방전은 전극간에 전압이 인가되더라도 방전 개시 전압 이하의 인가 전압에 대해서는 방전이 일어나지 않는 강한 비선형성을 갖는다. 방전유지전극간의 플라즈마 방전을 일으키기 위해서는 방전 개시 전압 이상의 전압 펄스(도 5. Vs)를 인가하여야 한다. 방전 개시 전압은 투명 유전체의 두께, 방전 유지 전극간 간격, 방전 가스 조성등에 의해 변화하며, 150V이상이필요하다.

전면판에 있는 두개의 방전 유지 전극( X, Y 전극)에 도5와 같은 AC 전압 파형을 인가하면 두 전극사이에 방전이 일어나고 방전에 의해 생성된 VUV가 형광체(R/G/B)를 여기하여 가시광을 발광하게 된다.

빛의 세기는 인가 전압외에도 인가 펄스 주파수로 조정할 수 있으며, 방전 효율과 관련된다. 고주파 신호를 이용한 고주파 방전을 디스플레이 방전으로 사용하면 보통 수십 MHz 내지 수백 MHz 대의 고주파신호에 의해 발생되는 것으로서 진동전계에 의해 전자가 진동운동을 함으로써 방전가스의 연속적인 이온화 및 여기를 발생시키게 되므로 거의 대부분의 유지방전시간동안 전자의 소멸없이 연속적인 방전을 일으킬 수 있게 된다. 이러한 고주파 방전은 글로우 방전에서전극간의 거리가 긴 경우 방전효율이 매우 높은 양광주(Positive Column)와 같은 물리적인 효과를 갖게 된다.

본 발명에 의해 제조하는 플라즈마 방전 광원은 평면 광원이라는 새로운 광원의 한 형태로서 조명 디자인의 새로운 발상의 기회를 제공하고, 조명 기구 개발에 응용할 경우 기존의 구 또는 원통형의 백열등이나 형광등을 사용하는 제품과는 구별될 수 있는 새로운 인테리어 조명 기구의 신규 수요 창출을 기대할 수 있다.

또 기존의 형광등이나 수은등과 달리 방전 가스에 수은을 사용하지 않으므로 환경오염을 방지한다. 다양한 발광체 패턴과 색상을 재현한다.

Claims (4)

1. 방전 유지 전극이 형성된 전면 유리 기판과 형광체 패턴이 형성된 배면유리 기판을 이용하여 유리 기판 사이에 방전 공간을 형성하고 방전 가스를 주입한 후 봉합한 플라즈마 방전을 이용하는 광원 장치로, 전면판은 플라즈마 면방전이 발생할수 있는 전극간 간격을 갖는 한 쌍의 방전 유지 전극 패턴이 형성되어 있고, 그 전극 패턴위를 투명유전체층이 절연하는 구조로 되어 있으며, 배면판은 전면판의 면방전영역과 서로 마주보는 영역에 형광체 패턴이 형성되어 있으며, 위 전면판과 배면판 사이에 방전공간을 갖도록 스페이서를 사이에 두고 모서리 둘레를 진공 봉합하고 방전공간에는 비활성 가스가 적정 비율로 혼합된 방전가스를 주입하여 완성하여서, 전면판의 방전유지 전극간에 방전을 일으킬 수 있는 임계 전압이상의 AC 전압 펄스를 가하여 방전가스의 플라즈마 면방전을 일으켜, 배면판에 패턴 형성된 형광체층을 플라즈마 방전으로 발생되는 UV에 의해 가시광을 발광하도록 하는 평면 플라즈마 방전 광원 장치
2. 위 제1청구항에 있어서 방전 유지 영역은 방전공간내에서 상호 방전 간섭을 방지할 수 있는 거리를 두고 다수 존재할 수 있으며, 각 방전 유지 영역은 한 쌍의 방전 유지 전극으로 형성하는데, 방전 유지 전극간의 간격은 인가되는 AC전압펄스에 의해 플라즈마 방전이 일어날 수 있는 간격으로 설정하여서 방전 유지 전극 패턴 면적과 방전 유지 전극간의 간격을 포함한 영역으로 결정되며, 각 방전 유지 영역에 대향하는 배면판의 영역에 형광체 패턴을 각양각색으로 형성하여 특정의 방전 영역만을 선택적으로 해당 방전 유지 전극에 AC전압펄스를 인가하여 해당하는 형광체 패턴만을 선택하여 발광시키는 것을 특징으로 하는 평면 플라즈마 방전 광원 장치
3. 위 제2청구항에 있어서 방전 유지 전극은 형광체 패턴의 발광된 빛을 투과시킬 수 있도록 투명 전극을 사용하며, 구동회로 연결 패드부로부터 방전유지영역까지의 회로 연결을 투명전극으로 패턴을 형성할 경우 투명 전극의 높은 비저항으로 인한 전압 강하 때문에 방전 유지 영역에서의 면방전이 일어날 수 없거나 인접 투명 전극간의 간격이 좁게 되어 상호 전극간의 방전이 일어날 수 있을 때, 이를 방지하기 위하여 방전 유지 영역의 투명 방전 유지 전극쌍과 구동회로부 연결 단자간의 회로 연결을 도전성이 우수한 금속 도전 페이스트를 이용하여 연결 회로선 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 평면 플라즈마 방전 광원 장치
4. 플라즈마 방전 표시 장치의 방전 가스로 Ne(93~97%):Xe(3~6%), 또는 [He:Ne(7:3)](93~97%):Xe(3~6%)의 2~3원 비활성기체의 혼합가스를 300~1000 Torr 주입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전 표시 장치