Display Technology 5 - CRT Technical Series CRT 기술의동향과전망 우리주변에서가장쉽게접할수있는디스플레이장치인 CRT 는현재컴퓨터디스플레이, 비디오모니터, TV, 오실로스코프등에광범위하게사용되고있다. 오랜세월동안개발되어온 CRT 는거의완벽한단계의기술수준을보이고있다. 이러한디스플레이용 CRT 에대하여, 이론및동작원리, 주요기술, 연구개발현황, 시장경향, 기술전망에대해알아보자. 글 : 김지홍, 박성우, 이재용, 노지형, 손희주학생 / 문병무, 주병권교수 / 고려대학교 www.korea.ac.kr 이론및동작원리소개 Cathode Ray Tube(CRT) 는발명자인독일의물리학자 Karl Ferdinand Braun의이름을따서브라운관이라고도불리며, 용도에의해수상관이라고도한다. 또한음극선으로형광체를발광시키는원리로부터음극선관으로도지칭된다. CRT는용도에따라텔레비전수상관혹은컴퓨터모니터등의디스플레이용과오실로스코프등의파형관측용및레이더용등으로구별되며, 사용방식에따라직시형과투사형으로분류할수있다. CRT의역사 CRT는그림 1에서나타낸것과같이진공유리관에서발생되는빛을시작으로 Color CRT가생산되기까지오랫동안지속적인발전을거듭해왔다. 1603 년 Vincenzio Casariolo가최초의인공형광체를개발하였고, 1751 년 William Watson이두전극을가진진공유리관에인가된전압 Tube 안에서잔존기체로부터밝은빛이방출되는현상을발표했다. 1859 년에 Julius Pluker가음극에의해방출된빔이자기장에의해편향될수있음을관찰했고, 1897 년에 Karl Ferdinand Braun에의해현대의음극선관 CRT가발명되었다. 그후 1900 년대에들어서면서본격적인 CRT에대한연구가시작되었다. 1902 년 J.T. MacGregor-Morris Zennect를시작으로, 1929 년에 Vladimir K. Zworykin이완전전자적 TV System에 CRT를적용하였다. Philo Farnsworth의연구에 의해 CRT TV Set가발명되면서 1938 년에 14인치 CRT TV가출시되었고 1939 년부터 Mono CRT가생산되면서본격적인발전이시작되었다. 1950 년대부터는 Color CRT가생산되었다. 원리및구조 CRT를구성은그림 2와같이구성된다. CRT는가장중요한전자총 (Electron Gun) 과편향요크 (Deflection Yoke), 섀도우마스크 (Shadow mask), 형광체 (Phosphors), 앞과뒤의퍼넬 (Funnel) 과패널 (Panel) 유리로구성되어있다. 외부에서가해진전압에의해히터에서열이나면 Cathode 의열전자가방출되고이를이용하여전자총은전자빔을발생시키는역할을한다. 발생된전자빔이형광막에닿아형광면을발광시켜화상을만든다. 전자총에서만들어진전자빔은서로직각으로배열된 2조의편향판이나편향코일사이를통과할때에외부로부터가해진신호전압에의해편향되는데이로인해형광면위의휘점이상하좌우로이동하여상을그리게된다. 전자빔을편향시키는방식에는정전편향과정자편향의방식이있는데, 정전전향은 2개의편향판사이에편향전압을걸어전기장에의해전자빔을편향시키는것으로전자편향에비해편향각이작지만주파수가높아서관측용브라운관에많이이용된다. 반면에정자편향은브라운관의목부분에장치한편향코일에전류를흘려발생되는자기장에의해전자빔을편향시킨다. 현재 CRT는구조에따라그림 3과같이 TV 용으로사용되는 CPT(Color Picture Tube) 와 Monitor로사용되는 MDT (Monochrome Display Tube), CDT(Color Display Tube) 가있다. 108 EP&C
CRT 기술의동향과전망 a)brauns Tube b)early CRT with static deflection c)philo Farnsworth d)early Farnsworth Production model e)1947 년의필립스튜브공장 f)1947 년 RCA color TV tube 그림 1. CRT 의역사 주요구성부품 편향요크 (Deflection Yoke) CRT의자기장치중가장중요한요소인편향요크는브라운관의목부분에각각직각으로배치된 2개의코일에전류를흘려자계를만들고플레밍법칙을이용하여전자빔을편향시키는장치이다. 시간계열로전송된전기신호가 CRT에서영상신호로재생되기위해서는전자총에서발사된전자빔을영상면상에 2차원적으로편향시켜재생해야한다. 이전자빔을편향시키는장치가편향요크이다. 그림 2. CRT 의구조 109
Display Technology 5 - CRT Technical Series Phosphors Shadow-Mask Electron Gun Phosphors Shadow Mask Electron Gun 그림 3. CPT TV 용 CDT 모니터용 convergence holizontal coil vertical coil yoke ferrite sheet 자기 B 힘 F 전자의운동경로 core 전류 1 Holizontal coil Vertical coil 그림 4. 편향요크의구조및원리 그림 4와같이 2개의코일은수평편향코일 (Horizontal coil), 수직편향코일 (Vertical coil) 이라고부르며수평편향코일에는 15.75kHz의톱니바퀴전류를흘려전자빔을상하로편향시킨다. 두가지편향코일을조합하여전자빔을화면상에좌상에서우하까지순차주사한다. 섀도우마스크 (Shadow mask) 섀도우마스크는전자총에서발사된 3색의전자빔이영상면즉패널내부에형성된형광면에정확하게도달할수있도록하는것으로서금속판에전자빔이통과할수있는다수의구멍이형성되어있다. 그림 5와같이전자총에서발사한전자빔은선과그림등임의의개체를표현하기위해사용되는데그림의경계에해당하는부분의색통과를막아줌으로써선명한그림이만들어지도록해주는것이섀도우마스크이다. 섀도우마스크를통과한전자빔이닿은형광물질은해당하는 빛을내어색을표현한다. 섀도우마스크는전자빔이원하는물질에만정확히닿을수있도록하기위해반드시필요하다. 전자총 (Electron gun) 전자총은전자류를가늘게빔모양으로죄어서작동시킬필요가있을경우에사용되는전자빔발생장치이며, 음극으로부터의열전자를중앙에구멍이뚫린도넛모양으로된전극을몇개통과시켜점점가늘게죄어나가는구조로되어있다 ( 그림 6). 가속전극에인가된양 (+) 의전압이높을수록전자는세차게당겨져서고속으로튀어나가게된다. 전자총의중간에있는전극 ( 그리드 ) 에교류신호전압을걸면신호에따라전자빔은밀도변조를받아짙어졌다엷어졌다를반복한다. TV 화상은이원리에의해서시시각각으로변하는신호에따라각부의농담 ( 濃淡 ) 을전자총으로부터의전자밀도에의해서그려낸다. 110 EP&C
CRT 기술의동향과전망 형광스크린 (Phorsphor) 형광스크린은그림 7과같이나타내진다. 형광스크린은휘도, 명암대조비, 잔광특성등을통해서규격을정한다. 그림에표시된 Black matrix는인접한형광체간의상호간섭을방지하기위하여형광체패턴사이에형성된흑연막이다. Al layer 는형광체의이탈을방지하고 2차전자를흡수할뿐만아니라후방으로산란되는빛을반사시키는역할을한다. 시장동향 수평도트피치 스크린형광제 도트피치 전자총 섀도우마스크 전자총 섀도우마스크 그림 5. Shadow mask 의구조및원리 유리화면 다양한 Network 기술이개발되고 Portable 기기의보급이 늘어나기시작하면서 CRT는 FPD(Flat Panel Display) 에의해대체되어가고있다. 공간을절약할수있고전력소모가적으며전자파의발생이적은 FPD는빠른기술발전과업체들의공격적인투자로가격경쟁력을갖기시작했으며이는모니터시장에서 LCD가 CDT를제치고주력상품으로부각되는결과를낳았다. TV 시장에서는 2002년을기점으로하여 PDP TV의수요가높아지고뒤이어 LCD TV가시장에진입함에따라 CPT의입지가많이좁아진상황이다. 그러나 CPT는 slim형의개발과우월한가격경쟁력으로여전히완만한성장세를보이고있다. 브라운관전자총 제 1그리드 빔교차점제 2그리드 양극 히터 음극 전치 주접속렌즈 형광면 렌즈 렌즈 그림 6. 전자총 (electron gun) 의구조 업체별연구개발동향 SONY는 1996 년에최초의완전평면브라운관을선보였으며트리니트론관을이용, Flat화에유리한텐션타입의 CRT를채용하고있다. Matsushita는편향요크의편향각도증가를통하여모니터에서는 100, TV에서는 120 를실현함으로서 CRT 전장길이를각각 398mm, 427mm로줄이는데성공하였다. Toshiba는소형 6인치 CRT 24개 (3 8) 를가로, 세로로배열하여만든 32인치멀티넥 CRT와두개의전자총을횡으로접합하여전장을줄인카멜 (camel) 타입의 CRT를개발하였다. 삼성 SDI는빅슬림브라운관을개발하여 2005년초에본격적으로출시하였다. 이는 32인치 TV 기준으로두께가 38cm로두께 30%, 무게 5% 를줄였고, HD급고해상도, 5000대 1 Red phosphor Black matrix Green phosphor Aluminum layer Blue phosphor 그림 7. 형광체스크린의단면도의고명암비 (contrast), 180 의시야각을구현했다 ( 그림 8). LG-Philips 디스플레이는 FTM(Flat Tension Mask) 방식의텐션마스크를이용한기술과 Cyber Tube를개발하 Panel glass 111
Technical Series Display Technology 5 - CRT 그림 8. 삼성빅슬림 그림 9. LG 슈퍼슬림 표 1. 업체별매출현황및생산지현황 유럽계 일본계 기타 한국계 한국계일본계유럽계 유럽 동남아 미주 기타 한국 중국 중국한국동남아유럽 기타 미주 기타 ( 전자부품연구원전자정보센터 2003 년 ) 표 2. 디스플레이별특허등록추이 1200 1000 800 798 854 748 977 PDP TDT-LCD 건수 600 400 200 0 636 637 441 434 458 223 237 389 166 69 88 128 52 77 64 91 2001 2002 2003 2004 년도 OLED FED CRT ( 출처 : 특허청전기전자심사국 ) 였고, 편향각 125 의광각편향기술을이용하여전장길이 를 352mm 로혁신적으로단축하여세계최초로 32 인치 슈퍼슬림 TV 를 2005 년 2 월시판했다 ( 그림 9). 국내업체들은 LCD Monitor 의확산에의해 CDT 시장이침 체되자 CDT 라인을 CPT 라인으로조정하고생산지를변경하 는등의노력을기울이고있다. 112 EP&C
CRT 기술의동향과전망 특허분석디스플레이별특허등록추이표2를살펴보면 LCD나 PDP의경우특허등록건수가급격히많아지고있는것에반해 CRT는완만하게줄어들고있다는것을알수있다. 이를통하여 CRT 연구가타디스플레이에비해점차축소되고있음을짐작할수있다. 그러나 CRT의특허등록건수가 FED나 OLED에비하면압도적으로많고 PDP와비교시에도거의비슷한수치를나타낸다는점에서여전히 CRT가응용되고사용되는분야가많다는것을알수있다. 업체별특허출원현황표3에서나타난바와같이각회사별로 CRT의특허출원건수가해를거듭할수록줄어들고있는것을볼수있다. 이는회사의주력상품이 CRT에서타디스플레이로넘어갔다는것을의미하기도하지만여전히 CRT 시장이크다는점을감안하면그만큼 CRT 기술의완성도가높다는것을의미하기도한다. 표 3. 업체별특허출원현황 ( 단위 : 건수 ) 출원기업 2000년까지 2001년 2002년 2003년 2004년 합계 삼성에스디아이 ( 주 ) 3,356 189 137 36 37 3,755 삼성전기 ( 주 ) 1,152 82 105 40 46 1,425 엘지전자 ( 주 ) 2,760 135 10 17 16 2,938 엘지필립스디스플레이 ( 주 ) - 91 243 197 65 596 오리온전기 ( 주 ) 3,919 26 11 2-3,958 기타 1,565 132 148 94 142 2,081 소계 12,752 655 654 386 306 14,753 도시바 267 31 10 11 13 332 하다찌 236 19 14 - - 269 소니 165 22 6-3 196 코닌클리케어필립스 267 39 84 8 13 361 기타 1,012 102 97 100 56 1,367 소계 1,947 213 161 119 85 2,525 합계 14,699 868 815 505 391 17,278 ( 출처 : 특허청전기전자심사국 ) 표 4. 세계 TV 수요 ( 단위 : 천대 ) 표 5. Size 별 CDT 수요 ( 단위 : 천대 ) 250,000 200,000 150,000 100,000 50,000-2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 LCD PDP Projection CRT 180,000 160,000 140,000 120,000 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000-40"~ 33.5"~38" 31"~34" 27"~29" 25"~26" 23"~24" 21" 19"~20" 15"~16" <15" 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 113
Display Technology 5 - CRT Technical Series 표 6. 세계모니터시장 ( 단위 : 천대 ) 160,000 140,000 120,000 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 CDT LCD 표 7. CPT 형태별수요 ( 단위 : 천대 ) 170,000 160,000 140,000 120,000 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Nomal CPT Flat CPT 표 8. CPT Type 별수요 ( 단위 : 천대 ) 170,000 165,000 160,000 155,000 150,000 145,000 140,000 135,000 130,000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Conventional Wide Screen CPT 시장동향 CPT는세계각지에서 TV 시장이계속성장해나가고있고 Digital 방송시대가도래함으로써큰전환기를맞을수있을것으로보인다. FPD와의경쟁이불가피하지만가격경쟁에서월등한우위에있기때문에중저가 TV 시장에서확고한위치를차지할수있을것으로보인다. CDT 시장동향 CDT는컴퓨터의발달과함께대형화, 고해상도화, 평면화로발전하면서모니터시장을주도해왔다. 그러나 Notebook용으로개발된 LCD가기업들의투자로인해빠르게성장하면서 CDT는그자리를잃어가고있다. 수량을기준으로 2001년 86% 에육박하던점유율은 2004년에역전이되었고 2006년에 114 EP&C
CRT 기술의동향과전망 는화면비가 4:3 인데반해생동감과현장감을중시한 HDTV는화면비가 16:9인해상도를지원하기때문에 Wide화가진행되고있다. 2003년 7%, 2005년 10%, 2007년에는 15% 정도의점유율이예상된다. 슬림 (Slim) 화 FPD에비해큰부피로인해떨어지는경쟁력을극복하고자 Slim화가주요화두로떠올랐다. Slim화는편향각도를넓혀전장길이를줄이는방식으로많은연구가되고있으며그림 10은 그림 10. 기존브라운관과 slim 형브라운관의모습 현재 FPD 와의차이를많이줄인모습이다. Needs Natural Color & Images 현장감, 대용량 Information Infotainment & Digital - Multimedia : AV 기기 Network Ergonomics - 조작편의성 & 수명 전자파 Free, 저소비전력 & Recycling Material Tread Flat 화 - Image Flat Tech - Inner Curvature Optimization - Less Howling High Visual Quality - High Contrast & Brightness - High Focusing Gun - Geometric Distortion Free 대형화 - High Resolution - Wide(16:9), 16:10, 14:9) Ultra Slim & Space saving - 110/120 & 고감도편향 - Corn Area Optimization 환경친화 - Mini-Neck/ 고감도 DY 맺음말 2007년부터 Digital TV 방송이본격화되면그에준하는규격의방송을수신하기위해서 TV 교체수요가상당할것이다. 이러한 TV 교체의시기에소비자들이어떤디스플레이를선택할것인지예측하는것이매우중요하다. LCD, PDP가대화면과줄어든부피로인해크게주목을끌겠지만높은가격으로인해대다수서민들의선택은 CPT가될확률이높다. FPD의가격이아무리떨어져도 CPT의가격경쟁력은여전히유효할것이고계속해서큰수요를창출할것이다. 또한 TV가제대로보급되어있지않은나라에저렴한 CPT는큰시장을형성할수있을것이다. 그림 11. Next CRT Trend 는 20% 수준에머무를것으로예상된다. 전망플랫 (Flat) 화 FPD와의경쟁을위해서 CTP의 Flat화가빠르게진행되고있다. Flat화비율은 2003 년 26% 에서 2007년경에는 50% 가넘을것으로예상되고있다. 와이드 (Wide) 화기존의 NTSC, PAL, SECAM 방송과 Digital 방송중 SDTV 참고문헌 [1] 특허청전기전자심사국, 디스플레이특허출원과전망 (2005) [2] LG Phillips Displays, 김성길, Introduction of superslim(2005) [3] 한국특허정보원, 이일규, 브라운관의현주소 [4] 전자부품연구원, 음극선관 (CRT) 모니터동향 [5] 전자부품연구원정보센터, 김정심, FPD 발전과 CRT 산업동향 [6] 한국특허정보원, 김광만, 브라운관섀도우마스크의특허동향 [7] 고려대학교, 주병권, CRT(Cathode-Ray Tube) 기술 (2001) [8] 전자부품연구원정보센터, 박광진, Display Device 기술동향 - CDT [9] http://www.samsungcorning.co.kr/product/crt/crt.asp [10] http://100.naver.com/100.php?id=134998 [11] http://100.naver.com/100.php?id=134962 [12] http://members.chello.nl/~h.dijkstra19/page3.html [13] http://en.wikipedia.org/wiki/cathod_ray_tube [14] http://members.chello.nl/~h.dijkstra19/page3.html 115