PDP 특허전략보고서 2007. 7. 정보통신심사본부영상기기심사팀
발간사 21세기정보사회는제조업중심의실물경제를탈피하여미래의가상적자산을선점해야만살아남을수있는무한지식경쟁의시대입니다. 과거철강, 자동차산업에근간한경제는정보의재산가치를극대화하는통신, 멀티미디어, 인터넷중심의지식산업으로재편되고있어, IT를통한첨단경영의성패에생존의승부를걸어야하는시기에왔습니다. IT 분야는그발전속도만큼이나새로운개념으로발상의전환을요구할뿐만아니라미래의가상적정보자산에대한실물재산으로서의가치확보가더욱절실합니다. 기술의융복합으로신개념지식재산이속속출현하고하루가다르게변화하는경쟁구도속에서, 앞을내다보는특허전략의수립은기업성공의필수요소라는것입니다. 그동안특허청은 IT를통한국가경쟁력강화에맞추어심사의전문성과효율성을극대화하도록정보통신심사본부를신설하였고, 본부심사관들의자발적인연구모임을활성화시켜국내기업들이효과적으로 IT 특허전략을수립하도록지원해왔습니다. 그중에서도평판디스플레이산업은세계 1위를지향하는국가경제선도분야로서삶의질과연관된미래첨단산업으로국가간특허분쟁이날로심화되고있기때문에보다정밀하고세련된특허전략이절실한상황입니다. 이책은평판디스플레이산업에대한국내외기업들의특허도전과국 가경제에미치는중대성을고려하여정보통신심사본부 PDP 분야심사관 들이자발적으로미래영상기술연구회를조직하면서기획된결과물입니
다. 이책에는관련기업이나기관에서특허전략을수립할때도움이될 수있도록 PDP 분야기술동향, 특허정보, 특허분쟁사례및맞춤형특허 전략을수록하고있습니다. 효과적인특허전략은기술과특허를종합적으로고려하여수립되어야합니다. 이런면에서, 이책은평판디스플레이기술분야에대한연구경력이풍부하고, 매일최신의특허기술을접하는특허청의심사관들이직접작성한것으로, 국내기업, 연구소, 대학교등의연구개발자와특허실무자에게실질적인도움이되고국내 PDP산업의경쟁력향상에크게기여하리라기대됩니다. 바쁜업무가운데도국가특허전략수립을위한첫걸음을내딛어주신여러관계자분들께감사의말씀을전하며, PDP기술을넘어서우리나라모든기술에대한특허전략의수립에이바지할수있는제2, 제3의특허마스터가나올수있기를바랍니다. 2007 년 10 월 특허청장 전상우 - 3 -
집필위원주요약력 저자정재헌심사관김성곤심사관김민수심사관조기덕심사관최훈영심사관이성현심사관김성익주무관 주요약력연세대학교공학학사 ( 99) 특허청전자심사팀 ( 01 ~ 05) 특허청영상기기심사팀 ( 06 ~ 현재 ) KAIST 공학박사 ( 02) LG전자 PDP 사업부 ( 01 ~ 03) 특허청영상기기심사팀 ( 06 ~ 07) 특허청금속심사팀 ( 03 ~ 06, 07 ~ 현재 ) 경북대학교공학박사 ( 96 ~ 00) 오리온전기종합연구소 ( 95 ~ 02) LG전자 PDP 사업부 ( 03 ~ 05) 특허청영상기기심사팀 ( 05 ~ 현재 ) 경북대학교공학박사 ( 01 ~ 04) LG전자 PDP 사업부 ( 03 ~ 05) 특허청영상기기심사팀 ( 05 ~ 현재 ) 인하대학교공학박사 ( 99 ~ 03) 삼성SDI 중앙연구소 ( 04 ~ 05) 특허청영상기기심사팀 ( 05 ~ 현재 ) 부산대학교공학박사 ( 99 ~ 02) 미국 University of Toledo, Postdoctoral Fellowship ( 02 ~ 04) LG전자 PDP 사업부 ( 04 ~ 05) 특허청영상기기심사팀 ( 05 ~ 현재 ) 인하대학교공학석사 ( 03) LG전자 PDP 사업부 ( 03 ~ 06) 특허청영상기기심사팀 ( 06 ~ 현재 )
목 차 제 Ⅰ 부 PDP 개요 1 제 1 장 PDP 의역사 2 제 2 장 PDP 기본이론 10 제Ⅱ부 PDP 특허분석및특허분쟁기술분석제1장미국공개특허의동향 39 제2장 PDP 패널구조 47 제3장 PDP 제조공정 94 제4장 PDP 구동파형 119 제5장 PDP 구동회로 155 제6장 PDP 필터 174 제7장특허분쟁기술 189 제 Ⅲ 부특허분쟁대응전략및시장 기술전망 제 1 장특허분쟁대응전략 214 제 2 장 PDP 시장및기술전망 223
제 Ⅰ 부 PDP 개요 - 1 -
제 1 장 PDP 의역사 1. 초기의 PDP 자연적으로관측되는플라즈마로부터의발광은수소플라즈마덩어리인태양으로부터나오는빛이대표적이며, 가스방전에이한인공플라즈마로부터의발광현상관측은 18세기초 Volta에의해전지가발명되어인공적으로가스방전을시킬수있게되면서시작이되었으며, 19세기중엽 Faraday 등의여러학자들에의해이루어진가스방전현상에대한광범위한연구를통해 X선이나전자등의발견이이루어졌다. 이러한연구를바탕으로최초의가스방전표시장치는 1927년 Bell Telehpone Laboratory의 Gray 등에의해개발되었다. 이표시장치는 2,500 화소로 (50 line 50 line) 이루어진네온가스로충전된방전관을기계적회전브러시전환자에의해동작시키는표시장치로이용되었다. 그러나각화소별로독립적으로구동시키는방식이었기때문에 2500개의방전관을순차적으로표시해야하므로초당 16 frames의낮은화상표시능력을가질수밖에없었다. 이와같은시기에 Nicholson은최초로행구동방식을이용한가스방전 TV 표시장치를개발하였다. 그러나이기술은 1930년대초반 CRT의급속한발전과더불어가스발광표시장치를 TV표시장치로이용하는데대한관심이멀어져갔고, 옥외광고표시기나 alpha-numeric 표시장치로서의이용에한정되게되었다. 2. 1940 년대이후의 PDP 이러한한계에도불구하고연구는끊이지않았으며, 1940년대의가장성공적인가스방전표시장치의하나인 Dekaon tube가 Bacon과 Pollard 에의해개발되었다. 이장치는공통양극주변에다수의음극을환형으로배치시킨 Alpha-numeric 표시장치였다. 그후가스방전을이용한디스플레이로서최초로실용화된것은 1950년대에 Burroughs사에서개발된 Nixie 방전표시장치가있다. 이는 - 2 -
Alpha-numeric 표시장치로주로사용되었으며, 이 Nixie 방전표시장치가 [ 그림 1-1] 에보여지고있다. 그림에서보여지는것과같이이표시장치는격자형의공통양극과각기다른숫자모양의다수의음극이겹쳐져서배치되고, 표시하고자하는숫자에해당하는음극에전위를인가하면음극전극면주변에방전영역이확산되어원하는숫자를표시하는구조를갖고있다. 또한, 이때개발된 " 수은봉입방법 " 은현재의 DC형플라즈마디스플레이의안정화와장수명화를위하여이용되고있는중요한기술이다. [ 그림 1-1 Nixie 방전표시장치 ] 1956년후반부터는음극구동터미널을획기적으로감소시킬수있는매트릭스구조를갖는가스방전이보고되기시작했다. 당시제안된구조의개략도를 [ 그림 1-2] 에나타내었으며, 이러한구조는현재의플라즈마표시의기본적형태를보여주고있다. 그림에서보여지듯이이새로운전극구조는서로교차되는양극과음극을각각배면과전면에위치시키고, 방전의형성은양극과음극간에전위차가인정되는지점에서발생시키는구조를갖게했으며, 인접셀에의한방전의상호혼신 (crosstalk) 을방지하기위한스페이서가필요하였다. - 3 -
이러한새로운구조의개발에의해가스방전표시장치가고해상도의대용량의표시장치로이용될수있는가능성을보여줌으로써전환기를맞이하게되었다. 그러나방전현상의특성상한개의셀을어드레스하여방전을발생시키면그라인의전위가저하해서동일한라인의다른셀을점화방전시킬수없게되며, 이결점을개선하기위해서는모든방전셀에저항을붙여서방전전류를제어하고방전의발생에의한전위의저하를데이터를기록한각각의셀에만국한할필요가있었다. 그러나각셀에고저항을부과하는것은당시제조기술로서는불가능하였으며, 도트매트릭스방식의플라즈마다스플레이를실용화하는단계에는이르지못하였다. [ 그림 1-2 Matrix 형 PDP 의개략도 ] [ 그림 1-3 AC 형 PDP 의개략도 ] - 4 -
이러한과거의기술적인결점은 1964년일리노이대학의 Bitzer와 Slottow에의한 AC형구조의채용에의해극복될수있었으며, 당시제작된기본구조를 [ 그림1-3] 에나타내었다. 이구조는금속전극의표면에유전체를균일하게덧댐으로써각각의셀에용량성저항을부과할수있었다. 이것에의해한개의셀이방전하면인접하는다른셀이방전하지않는결점이해결되었으며, 더욱이메모리기능이라는극히유용한기능도얻을수가있었다. 이 AC형플라즈마디스플레이의발명은 1968년일리노이대학의 Owens등에의한개발연구로서실용화되었다. AC형플라즈마디스플레이의발명에자극되어 1970년 Burrough사의 Holz와 Ogle 은 Self-scan TM 형의플라즈마디스플레이를발명하여실용화하였다. [ 그림 1-4] 에 Self-scan TM 형방전표시장치의개략도를나타내었다. Self-scan TM 형디스플레이는하전입자의확산작용을이용한 Shift Addressing 기술을이용하여구동하는기술로서구동소자의수를대폭줄일수있는장점을갖고있었다. [ 그림1-4 Self-scanTM형방전표시장치의개략도 ] 한편, 일본에서는 1970년대초반부터 NHK, 히다치및소니사등이고화질 TV개발을위한연구에착수하면서 PDP를표시장치로이용하는연구가시작되었다. 각사에서는 PDP의대형화및고정세화기술을독자적 - 5 -
으로개발하고, 각각의고유전극구조를선정하여 Engineering Work Station Monitor 및 HDTV 구현을목표로꾸준한기술개발이이루어졌다. 이러한연구를기반으로 1980년대초반마쯔시타는포터블컴퓨터용 Monochrome DC형 PDP를상업화할수있었으며, NHK 연구소는 HDTV 구현을목표로대형화에용이한 DC형 PDP의개발을지속적으로진행해왔다. 특히 NHK는펄스메모리기능을이용한구동방식의채용및대형화, 고정세화기술개발을통하여 DC PDP의개발을주도했었다. AC PDP에있어서는포토닉스사가고화질디스플레이장치의제작에용이한 Twin substrate형칼라 PDP를연구하고있으며, 후지츠, 톰슨및플라즈마코등의회사에서고휘도, 장수명특성을갖는 Single substrate 형칼라 PDP의연구를진행하고있다. 특히, 플라즈마코는 ISA(Independent Sustain & Address) 및에너지회수 (Energy Recovery) 구동방식을개발하여구동회로간략화및소비전력감소를보고하였으며, 후지츠에서는 ADS (Address & Display Separate) 방식을개발하여이제까지 AC형에서문제가되어왔던 256계조의문제를해결하였다. 3. 1980 년대이후의 PDP AC형 PDP에있어서는 1988년미국의포토닉스사에서 Mono형의 60인치 AC형 PDP를개발하여대형화의가능성을제시하였으며, 고화질디스플레이장치의제작에용이한칼라 PDP를꾸준히연구하였으며, 같은해 NHK에서 20인치급 DC PDP를발표하였고, 1989년에는 NHK에서 33인치 Full 칼라 DC PDP를발표하였다. 1991년에는미국의포토닉스사에서꾸준한연구의결과로 64계조의표현이가능한칼라 AC형 PDP를개발하였다. 1992년에는프랑스의톰슨튜브전자에서 0.4mm pixel pitch를갖는고해상도의 22인치칼라 AC형 PDP를개발하였다. 1993년은 PDP 기술개발의획기적인전환기가시작된해로서, 일본후지츠사에서 21인치면방전형칼라 AC PDP의양산이최초로시작되었으며, NHK에서고화질의 HDTV용 40인치 Full 칼라 DC PDP를개발하였다. - 6 -
[ 그림 1-5 후지츠사 21 AC 형 PDP] [ 그림 1-6 NHK 40 HDTV 용 Full Color DC PDP] 플라즈마코는 1024 768 pixels의고해상도의 30인치 Engineering Workstation용 Monitor를개발하여, PDP의 HDTV 구현가능성을입증하였다. 1995년에는일본후지츠사에서 42인치 AV 칼라 PDP 시제품을개발하였다. 1996년 5월미국 SID 전시회에서보고된 PDP를살펴보면후지츠에서종횡비 16:9의 42인치의면방전형 AC PDP를보고하였으며, NEC가고휘도특성을갖는 33인치칼라 AC PDP를보고하였다. 또한플라즈마코에서노트북용의 21인치용 AC PDP를보고하였다. 이상의활발한 PDP연구를통하여얻어진결과를기반으로 CRT에못지않은화질을갖으면서 40인치이상의대형칼라 PDP의실용화가이루어졌다. 4. 우리나라의 PDP - 7 -
우리나라에서는오리온 PDP에서 1980년대후반 PDP기초연구를시작하여 21인치 DC PDP, 100인치멀티스크린등을개발하였고, 1990년대중반부터본격적인 AC PDP를개발하여 42인치 WVGA 모델을개발하였다. 1997년 42인치파일럿라인을신설하여 1998년부터양산을시작하였으며, 2003년에는첨단멀티제조기술을통해이음매 (seam) 가 3mm 이하로최소화하여화면의연속성을극대화한세계최초의 84인치멀티PDP를개발하였다. 삼성SDI는삼성전관시절인 1980년대후반부터 PDP팀을구성 NHK 타입의직류형 PDP 중심으로연구하다 1990년중반부터 3전극표면방전형 AC PDP 개발을본격적으로시작하여 42인치, 50인치, 55인치, 그리고세계최대 63인치 PDP를개발하였다. 2004년 CES에세계최대 80인치 full HD급의 PDP를출품하였는데 80인치개발과정을통해세계최초로 1장의 PDP 원판에서한꺼번에 40인치급 PDP를 4대까지생산할수있는 4면취 ( 面取 ) 생산기술확보에성공, 생산성면에서도최고경쟁력을갖추고있다. 80인치 PDP의개발로 37, 42, 50, 63, 70, 80인치의가장다양한제품포트폴리오를갖추게되었다. LG전자는 1993년본격적인개발을시작하여 1997년 40인치 VGA급개발을시초로 1998년 50인치에이어세계최초로 60인치 WXGA급 PDP 를, 2003년에 76인치 full HD급의 PDP를개발양산하여세계최대 PDP 를양산하고있다. 1999년 40인치 PDP TV 판매를시작으로일본과의경쟁을시작하였다. 2000년 2월에 2000억원을투자하여 2001년 2월부터연 30만대의양산을시작하였다. 2003년 9월 2기생산라인가동과함께 2004 년 1월중국南京의생산라인가동과 2004년 3기라인준공으로세계시장 1위달성을목표로하고있다. 현재한국과일본을중심으로연구개발을통한상품생산이이루어지고있으며, 발광효율향상, 고화질화, 저가격화등과멀티미디어디스플레이용고성능 PDP 모듈개발을위해서고성능형광체 /Paste, GOG 핵심요소기술, 고성능신보호막및고에너지회수기술, 고효율방전 Mode 구조의 PDP, 저전압초고속구동 PDP, ASIC 및 Power System 기술, 미세방전제어기술등이향후에도집중적으로개발되어야할부분이다. - 8 -
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제 2 장 PDP 기본이론 공간에양전하와음전하가존재하며동시에전체로서전기적으로중성이유지되어있는이온화된기체를플라즈마라고한다. 기체가 100 % 이온화될필요는없다. 플라즈마표시장치중의이온화정도는 10-6 정도이다. Plasma Display Panel( 이하 PDP) 은글로우방전을이용하지만이중에서도음극강하부는전자보다양이온쪽이많다. 이런의미에있어서는엄밀히플라즈마는아니다. 그러나 PDP 분야에서는관례로가스방전을이용하고있으면플라즈마디스플레이라고부르고있다. 양의전하를가지는핵과음의전하를가지는전자로구성된원자내에서, 전자는양자법칙에의해핵주위의일정한궤도상에서만존재할수있다. 각궤도에서전자가가질수있는에너지상태를에너지준위 (energy level) 라고하며, 가장안정된에너지준위에있는원자의상태를기저상태 (ground state) 라고한다. 기저상태의원자또는분자에에너지가공급될경우, 전자는기저상태의궤도로부터벗어나보다높은에너지준위의궤도로이동 ( 천이 ) 할수있으며, 전자가기저상태로부터높은에너지상태로천이된원자는여기상태 (excited state) 에있다고한다. 여기상태의원자는불안정하여일정한시간 ( 일반적으로수 ~ 수백 ns) 이지난후다른낮은에너지준위의여기상태또는기저상태로전자의천이가발생되며, 에너지준위의차이에해당되는에너지를광또는열에너지로외부에방출시킨다. 원자또는분자를여기상태로만들어주기위한에너지는광또는전자의충돌에의해전달되며, PDP에서는화상을얻기위해다음두가지여기상태로부터방출되는광에너지를주로사용한다. * 불활성개스방전에서발생되는 UV * 형광체가 UV에의해여기된후, 낮은에너지준위로천이할때발 생되는가시광선 플라즈마상태하에서는전자의밀도가비교적높기때문에외부로부 - 10 -
터전기적에너지를비교적용이하게공급할수있고, 전장에의해가속된전자가충돌에의해중성원자를여기시키는빈도를높여주어중성원자가여기상태로부터기저상태로천이할때발생되는 UV가증가된다. 방전에의해발생된이들 UV는형광체를여기시키고, 여기된형광체가낮은에너지준위로천이될때형광체특성에따라서로다른파장의 3원색가시광선 (Red(R), Green(G), Blue(B)) 이발생되어컬러영상을표시할수있다. 한마디로진공상태에서양전극과음전극에강한전압을걸면그안에있는가스가활성화되었다가시간의경과에따라다시안정된본래의상태로돌아가면서마치오로라같은강하고아름다운빛을발하게되며이플라즈마현상을이용한것이플라즈마디스플레이인것이다. PDP는방전의형태에따라 AC PDP와 DC PDP로크게나누어진다. DC PDP는전극이방전공간에노출되어있는구조를가지고있으며, AC PDP는전극과방전공간사이에절연체가삽입되어있는구조를가지고있다. DC PDP에서는전극이방전에의해발생된플라즈마에노출되는구조를가지고있어서방전전류를제한시키지못하는단점을가지고있고, 전장에의해가속된질량이큰이온들이전극에충돌하여전극물질을마모 (sputtering) 시켜수명이짧아지는문제가있다. 이러한 DC PDP 의문제점들때문에현재개발또는생산되고있는 PDP는모두전극이절연체에의해보호가되는 AC PDP 구조를채택하고있다. 본장에서는 AC PDP만을고려하며, 현재가장많이사용되고있는 3전극면방전 AC PDP의개략적인구조를소개하고, AC PDP의동작원리를이해하기위해서필요한기초방전메카니즘을소개한다. 1. 플라즈마방전특성 (1) Townsend α-process Townsend α-process란전자 1개가중성기체와충돌하여 α개 /cm의이온화를시키는모델로여기서 α는 Townsend의 1차계수또는전자의충돌전리계수이며, 전자 1개가가속되어 1cm 진행하는사이에중성기체와충돌하여원래전자이외의이온과전자의 pair를발생시키는횟수 - 11 -
를의미한다. 1개의전자가 x에서 x+dx 까지미소거리 dx를진행하는사이에전자의수는 αdx 만큼증가한다면 N개의전자에대한증가수 dn은 dn = αndx 이다. 매초당음극면 (x=0) 에서방출되는전자 ( 초기전자 ) 의수를 N o 라면 dn =αndx 이므로, = αndx 이되어 N = N o exp(αx) 가된다. 따라서양극표면 (x=d) 에는 N a = N o exp(αd) 개의전자가도달한다. 이상을정리하면다음과같다. 1. 외부인가전압이방전형성전압보다낮을경우주로탄성충돌 (Elastic Collision) 이일어나며방전은형성되지않는다. 2. 외부인가전압이방전형성전압이상이인가되면, 전장에의해가속된전자의충돌에의한이온화가일어나며, 다음과같은관계식에의한전류증가가이루어진다. I = I o exp(ad) = I o exp(ηv) 여기서 d 는전극간격이며 I o 는초기전류이고 η= = f( ) 가 된다. * 1, 2에나타난것처럼외부전압이일정전압이상되는경우에만플라즈마가발생되는특성은매우강한비선형적성질을의미한다. (2) ϒ- process Townsend의 ϒ- process는 1차계수모델에의해발생되는전자와이온화에의해생성된이온이음극에충돌하여발생되는 2차전자를포함하여이온화를계산하는모델로 ϒ는 Townsend의 2차계수이며양이온이음극표면에충돌하여그표면에서이차전자를방출하는데양이온 1개에해당되는방출전자수를 ϒ라정의한다. 즉 ϒ는 1개의양이온이음극표면과충돌해서방출되는 2차전자의수를나타내는계수이다. 매초당음극 - 12 -
에서 N = N o exp(αx) 개가되므로전자는 N o exp(αx) - N o = N o {exp(αd) - 1} 개가증가하게되어전극사이의공간에서같은수의양이온이생성된다. 그런데양이온은음극표면에충돌하여그표면에서이차전자를방출한다. 양이온 1개에해당하는방출전자수가 ϒ이므로 ϒN o {exp(αd) - 1} 개의이차전자가방출된다. 이들전자는전장에의해가속되고 α -process에의해양극표면에서는 ϒN o {exp(αd) - 1}exp(αd) 개로증가하게되므로, 양극으로유입되는총전자전류 I는 J = e[n o exp(αd) + ϒN o {exp(αd) +ϒ 2 N o {exp(αd) - 1} 2 exp(αd)+...] α = α = α α 이며, J o = en o 가된다. (3) 방전개시조건 (Breakdown Condition) ϒN o {exp(αd) - 1} 가 1일때전류의식은분모가 0에근사함으로전류가급격하게증가하게되어방전이개시되는현상을식으로나타낼수있다. 이차전자방출은양이온이고체표면에충돌하여생기는과정이므로음극표면반응 (Cathode surface reaction) 이중요한역할을한다. 즉이온충격에의한음극표면에서방출된 2차전자가전장에의해가속되어에너지를얻고, 충돌반응을통해전자사태 (Electron Avalanches) 가이루어지므로, 2차전자발생계수가방전에중요한역할을하기때문에방전특성은전극재료에도크게의존한다. (4) Paschen's Law 1 실험식의유도 파센법칙이란방전개시전압 V B 가균일한전계하에서는기체압력 P와전극간격길이 d의곱 Pd의함수가된다는법칙으로실험식이다. α =Aexp{ } 여기서 α: Townsend 의 1 차계수, P: 기체압력, E: 전장, A, B: 기 - 13 -
체의고유의상수이다. 방전개시조건 ϒ{exp(αd) - 1} = 1 을이용 하면 αd=ln(1+ ) 이고 이므로 이된다. Aexp{ } = exp{ } = = α ln(1+ ) = α ln(1+ ) V B = E*d 이므로 exp{ } = = α ln(1+ ) 이되고 = ln[ = α ln(1+ )] = - ln(apd)+lnln(1+ ) 이된다. 따라서, V B = = = f(pd) 2 파센곡선 (Paschen curve) V B V B min (pd) min Pd[torr.cm] [ 그림 2-1. Paschen breakdown curve] - 14 -
파센곡선에서는방전개시전압 V B 가압력과전극사이의거리 d의곱인 pd의함수로나타나고 (pd) min 에서방전개시전압 V B 가최소인 V B min 이된다. 이와같이나타나는파센곡선의물리적인의미를고려해 보자. 우선전극간격 d가일정하다고가정하고 pd가감소하는경우를살펴보면, 즉압력이감소하는경우를고려해보면입자의개수가감소하는경우이므로전자의충분한가속으로충돌당에너지전달은크지만이온화충돌률이감소하므로방전개시전압 V B 는증가하게된다. 전극간간격 d가일정하다고가정하고 pd가증가하는경우를살펴보면, 즉압력이증가하는경우를고려해보면입자의개수가증가하는경우이므로이온화충돌률은증가하나전자가충분히가속되지못하므로충돌당에너지전달이감소하여이온화가줄어들게되어방전개시전압 V B 가또한증가하게된다. 2. AC PDP 의구조 [ 그림 2-2] 은현재주류를이루고있는 3전극면방전 AC PDP의개략적인구조이다. 위의그림에서주어진바와같이하판유리기판과상판유리기판사이에방전공간 (discharge gap) 이위치하며, 방전공간에는불활성가스가봉입되어있다. 상판에는두개의수평전극이평행하게위치하고있으며, 이들두전극은역할에따라 Scan (Y) 및 Common (Z) 전극으로구분된다. Y 전극에는구동시열전극선택을위한주사펄스와 Y-Z 전극사이에면방전을일으키기위한서스테인펄스 (sustain pulse) 가인가된다. Z 전극들은보통개별적으로구동되지않고전기적으로함께묶여져서서스테인펄스가인가된다. [ 그림 2-2] 와같은 AC PDP의개략적인구조하판에는 Data/Address (X) 전극이상판의전극들과수직한방향으로배치되어있으며, X 전극에는주사펄스와동기를맞추어해당되는주사선의영상데이터가순차적으로입력된다. - 15 -
[ 그림 2-2. AC PDP 의개략적인구조 ] AC PDP의 3차원구조와상세구조는 [ 그림 2-3] 와 [ 그림2-4] 에서주어진바와같다. 상판유리기판에위치한 Y, Z 전극들은동일한구조를가지고있다. Y, Z 전극은하판형광체에서발생된가시광선을투과시키기위해 Indium Tin Oxide (ITO) 투명전극을사용한다. (5000A 의두께일때가시광의 95% 이상투과.) ITO 전극은전기저항이높으므로, ITO 만을전극으로사용할경우대형 PDP에서전압강하가많이발생된다. 이를방지하기위하여전기저항이낮은금속 ( 주로 Ag 또는 Cu) 재료를사용하여 ITO 전극의위에폭이좁은 Bus 전극을형성시킨다. 이들전극은두께 30m 내외의유전체에의해방전공간과격리되어있다. 유전체와방전공간사이에는수천 A 두께의 MgO 층이형성되어있으며, MgO 층은이온이표면에충돌할때방출되는전자 (2차전자) 의수가비교적많은물질이고, 이온충돌에의해발생되는표면손상이적어패널의수명을증가시키는데유리한물질이다. 한개의이온이표면에충돌할때방출되는 2차전자의개수를이차전자방출계수라고하며, 이차전자방출계수가높을경우방전개시전압은낮아진다. 따라서, MgO는패널의내구성을증가시키는역할뿐만아니라 PDP의구동전압을낮추어주는역할을한다. 하판유리기판에위치한 X 전극은유전체에의해보호되어있으며, 유전체위에는방전에서발생된진공자외선 (Vacuum UltraViolet, VUV) 의여기에의해가시광선을발생시키는형광체가도포되어있다. Color PDP에서하나의화소 (pixel) 는삼원색인 R, G, B 광을발생시킬수있는 3개의 sub-pixel로구성되며, 각각의 sub-pixel은서로다른형광체를사용한다. - 16 -
상판과하판사이에는간격을유지시키고인접셀과의간섭을방지시키기위해절연체격벽 (barrier rib) 이형성되어있으며, 방전공간에는불활성방전개스가봉입되어있다. 형광체를사용하는 PDP에서는 VUV 발생이큰 Xe 혼합개스를주로사용한다. 현재가장많이사용되고있는방전개스는 Ne : He = 9 : 1인혼합개스에 4% Xe 개스를혼합한개스이다. Xe에 Ne, He 등을섞어주면 Penning 현상 ( 불활성개스의이온화에너지보다높은 meta-stable state를가지는불활성개스를소량첨가하면방전개시전압이낮아지는현상 ) 에의해방전개시전압이낮아지며, Xe의비율이높을수록방전개시전압은높아지나효율은좋아진다. [ 그림 2-3 AC PDP 의 3 차원구조 ] - 17 -
[ 그림 2-4. AC PDP 셀의단면상세구조 ] 3. PDP 구동방법 PDP 상에영상을표시하기위해서는각셀에서발생되는빛의양을조절할수있어야한다. 가속된전자빔을사용하여형광체를여기시켜서가시광선을얻는 CRT와는다르게, PDP는가스방전을이용하여가시광선을얻는방법에기초를두고있어서방전의세기를조절하여발생되는빛의양을조절하기가용이하지못하기때문에방전발생여부 (ON/OFF 상태 ) 만을이용하여영상을 display 시킨다. 또한, PDP의전극구조가동일한수평선상의모든셀들은동일한 Y, Z 전극에의해구동되고, 동일한수직선상의모든셀들은동일한 X 전극에의해구동되기때문에, 영상데이터를기록하기위해서는수평전극과수직전극을이용하여매트릭스방법으로구동시켜야한다. - 18 -
(1) PDP 의구동방법에따른구분 PDP AC type AC+DC hybrid type DC type Refresh type Memory type Refresh type Memory type (AWD) ADS method AWD method Simple scan Simple type SE, SW method SE, SW method Self scan Auxiliary discharge type (* SE : selective erasing, SW:selective writing) [ 표 2-1. PDP 셀구조에따른구동방법 ] (2) DC PDP 의종류에따른구동 Mechanism 1 리프레시방식 (Refresh Type) 전극이방전공간에노출되어직류전압으로구동하는방식이며, DC 형 Refresh 방식은구동회로는간단하지만라인간방전영향을막기위해방전셀간에분리하는격벽 (Barrier) 를설치하여복잡한패널구조를가진다. DC형 PDP의구조는각셀이격벽에독립되어있고전후면패널에양극과음극이형성되어있고, 전류제한용저항이있으며, 이러한셀들이구성되어있는전면, 후면패널을봉입 (sealing) 한상태에서방전가스를충전시키고 DC전원을인가한다. A. 단순스캔타입 (Simple Scan Type) 방전개시전압이 120V 였다고하자. 전원전압이 119V 이면방전 - 19 -
전류는흐르지않는다, 그런데이전압을약간 1V 늘린것만으로도방전전류가돌연히흐른다. 이와같이명확한임계값을갖는발광소자를다수종횡매트릭스상으로배열한다중구동이라는방식이가능해진다. Anode Cathode S1 S2 S3 S4 S5 D1 D2 D3 D4 Scan electrode voltage source Vs 80V Data electrode voltage source Vd 50V R 보호저항 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 0 -V s 0 -V s 0 -V s 0 -V s 0 -V s D 1 0 D V 2 d 0 D 3 V d 0 D 4 V d 0 1 Frame t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 (a) (b) [ 그림 2-5 DC 4 5 매트릭스형단순스캔타입구동패널 ] time [ 그림 2-5 (a)] 의빗금친화소와같이 P라는문자를표시해보자. 전극에가하는전압파형을 [ 그림 2-5 (b)] 에표시하였다. 수평방향의전극 S 1 ~S 5 에는 P라는 TV신호와무관하게 (-) 의전압펄스 (-Vs) 를순차적으로인가한다. 수직방향의전극 D1 ~ D4에는신호에따라 (+) 의전압펄스 (Vd) 를신호에대응하여인가한다. 그림 2-5의 (b) 에서 t 0 ~t 1 : S 1 D 2 S 1 D 3 S 1 D 4 ON t 1 ~t 2 : S 2 D 2 S 2 D 4 ON. t 0 ~t 5 : 1 Picture/frame, 60 Frame/sec 구동시동화상표시. B. 셀프스캔방식 (Self Scan Type) 단순스캔방식 (Simple scan Type) 에서는스위치를이용하여순차스캔을하였지만, 이러한스위칭을플라즈마가가지고있는고유한논리기능을이용한플라즈마스위칭으로대신하도록하여패널구동에필요한구동소자의수를줄일수있게한구동방법으로, 동작원리는 Reset - 20 -
cathode와 scan anode 사이에형성된플라즈마의프라이밍효과에의해 [ 그림 2-7] 과같은파형을인가할때 S1에서 S6까지순차적으로스캔할수있다. 이때발생한하전입자가캐소드의구멍을통해애노드와캐소드사이의공간으로주입되며이들입자의프라이밍에의해기록방전이형성된다. 열구동에필요한구동소자의수를대폭줄일수있다. [ 그림 2-6 셀프스캔방식패널의구조 ].. R S1 S2 S3 S4 S5 S6 C1 C2. C3 C4 80 0 80 0 80 0 80 0 R S1 S2 S3 S4 S5 S6 R Rs : Current limiting Resistor R : Reset cathode (start scan sequence) S1~S6 : Cathodes Scan anode V d 150V [ 그림 2-7 셀프스캔방식의개략도 ] - 21 -
2 펄스메모리방식 (Pulse Memory Type) A. 단순형 (Simple type) 간단히하기위해 [ 그림 2-8 (a)] 에도시한바와같은 2 2 셀로구성되는패널을생각한다. 수평방향전극 S 1 ~S 2 에는 [ 그림2-8 (b)] 에도시된스캔펄스와서스테인펄스를가한다. 또, 수직방향전극 D 1 ~D 2 에는신호 pulse를인가한다. 이구동파형에따르면셀 (D 1, S 1 ) 과 (D 2, S 2 ) 를동시에발광상태로할수가있다. 시간 t 0 ~t 10 에 S 1 ~S 2 에인가되고있는펄스는메모리서스테인펄스이다. 시각 t w1 ~t w2 에서는표시신호에무관하게어드레스-스캔펄스를 S 1 ~S 2 의서스테인펄스에끼워넣는다. 단, 이펄스만으로는셀이방전하지않도록전압을설정한다. 셀 (D 1, S 1 ) 을점등하고싶은경우는 t w1 의어드레스-스캔펄스와동시에 D 1 에어드레스펄스를인가하여방전을만들면그후방전은서스테인펄스만으로도방전이계속된다. 펄스메모리방식구동에서는임의의셀을점등할수있지만소등할수없다. 따라서각각의수평라인상의셀모두를강제적으로소등한다. 시각 t 8 에서 S 1 라인의서스테인펄스를제거함으로써이라인상의전셀을소거한다시각 t 9 에서도 S 2 라인에대하여같은조작을한다. S 1 Voltage Writing sweep pulse V WS D1 D2 S 2 Voltage Sustain pulse V P S1 D 1 Voltage D 2 Voltage Writing signal pulse V WD S2 (D 1, S 1 ) (D 1, S 2 ) (D 2, S 1 ) (D 2, S 2 ) Light Light Light Light t 1 t 2 t w1 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t 10 t w2 (a) (b) [ 그림 2-8 DC형 Pulse memory 구동개략도 (simple type)] - 22 -
B. 보조방전형 (Auxiliary Discharge Type) 실제구동에서는보조방전셀을채용하여하전입자프라이밍을통하여방전지연시간을줄이는방식을채용하며, [ 그림 2-9] 에서보조방전형 DC PDP 구동회로를보여주고있다. 이러한플라즈마고유의메모리기능을이용하면외부에서인위적인메모리기능을줄필요가없으며, 주어진정보가 PDP 내부에저장되게된다. Matrix 패널의구동에이러한펄스메모리방식구동을이용하면필드마다리프레시 (refresh) 를생략할수있어화면이휘도를크게개선할수있다. [ 그림 2-9 DC 형펄스메모리방식구동개략도 ] 3 AC PDP의종류에따른구동 Mechanism AC PDP는전극의표면이유전체로덮여져있으므로교류형의전압을전극에인가할때플라즈마가형성이될수있다. 가. 리프레시방식 (Refresh Type) 리프레시형 DC PDP와같이 AC PDP도 memory 기능을사용하지않고서도구동을할수있다. DC형은전류제한을외부저항에의해하기때문에직렬로연결된픽셀중에한개가켜져이셀에서전류가흐름으로해서전압강하가일어나면다른셀에는플라즈마가켜지지않 - 23 -
거나켜지더라도적은전류가흐르게되어부분적으로밝고어두운부분이나타날수있으나, AC형은전류제한이각셀의전극을덮고있는유전체에의해도입되는커패시터에의해이루어지며모든셀의전극이같은캐패시턴스를갖기때문에전체가균일한밝기를갖게된다. 또다른장점은긴수명을가지며패널의동작범위가 -40 ~ 85 로넓으며, 온도제한은구동회로에의해결정된다. 초기의리프레시형 AC PDP는 NEC에의해지속적으로연구되어 1985년 400 640 라인을갖고 70 라인 / 인치의해상도를갖는패널이보고되었으며, [ 그림 2-10] 은리프레시형 AC PDP의구동방식이다. [ 그림 2-10 리프레시형 AC PDP 의구동 ] 수직방향전극 Y의주파수를 0.5~1MHz의서스테인신호로구동하여한라인스캔시방전횟수를늘릴수있으며, 컬럼전극 X는선택된수직전극의신호에데이터에따라기록과소거를할수있는저전압의서스테인신호가동기되어구동된다. 수직전극 Y에인가되는전압 V y 와컬럼전극 X에인가되는 V x 는 Vy + Vx > Vsmax Vy - Vx < Vsmin - 24 -
값이되게선택한다. 캐패시턴스에의한손실을고려한전기적효율은 η = 여기서 C w = Wall capacitance per pixel C p = Parasitic capacitance per pixel n y = number of row conductors 로주어진다. 리프레시형은메모리형에비해효율뿐아니라밝기가떨어지는결점과스캔주파수가낮을경우플리커가나타나는결점등을안고있다. 나. 메모리방식 (Memory Type) A. AWD(Address While Display) 방식에의한구동의예 [ 그림 2-11] 는 AWD 방식의기본개념을나타내는도표로서매서브필드초기구간에각계조에대한기록구간이있고, 연이어서스테인구간이이어진다. AWD 방식에서기록방전은서스테인방전사이에형성되며이때기록방전으로선택하고자하는셀을기입하게되면 SW (Selective Writing) 방식으로불린다. [ 그림 2-13] 는 AWD SE (Selective Erasing) 방식의적용예이다. 이방식에서는기본적인구동개념은 [ 그림2-12] 의방식과유사하여모든서브필드에대하여각라인별로스캔시점을정하여기록방전을실행하고, 이후기록된라인을시작으로기록방전이진행된다. 이때 1개의유지방전주기에서브필드수만큼선택적소거로멀티스캔을진행한다. - 25 -
[ 그림 2-11 AWD 에대한 Time chart] 第 1 區分 2 3 1H 2H 37H 38H 39H A S1 Sustain pulse B 時刻 S2 Address pulse S3 B A [ 그림 2-12 AWD 방식의인가파형의개략도 ] Data electrode Reset X electrode 유지펄스 Y electrode 주사 / 유지펄스 SF1 Writing Erase discharge Sustain 펄스 SF2 Scan 펄스 SF8 [ 그림 2-13 AWD SE 구동방식의예 ] - 26 -
B. ADS(Address & Display Separation) 방식에의한구동의예현재 AC-PDP 구동의기본이며주류를이루고있는 ADS 방식을기초로하여전체패널의구동이어떻게이루어지는지를구체적으로살펴본다. [ 그림 2-14] 에각전극들에인가되는전압파형의한예를보여주고있다. [ 그림 2-14 ADS 방식의구동파형의예 ] 개략적인 AC PDP의구동방법및동작원리는다음과같으며구동파형과함께고려하여야한다. AC PDP의구동을위해인가되는구동파형은초기화구간, 어드레스구간 ( 기록구간 ) 및방전유지구간 ( 서스테인구간 ) 등시간적으로크게 3부분으로나눌수있는데, 먼저패널의모든셀에형성되어있는벽전하를균일하게소거하여주는초기화구간 (Reset), 표시할셀에영상데이터를기록하는어드레스구간, 및어드레스방전에의해결정된셀의 ON/OFF 상태를유지시켜지속적으로서스테인펄스가인가될때마다 ON 셀에서광펄스를발생시키는서스테인방전구간으로구분된다. - 27 -
C. AliS 구동방식 (Alternate Lighting of Surfaces) 양산을시작한시점에들어서도여전히 PDP의고정세화 고휘도화 저소비전력화등의과제가남아있다. 이것들을해결하기위해일본후지츠에서개발한것이 ALiS(Alternate Lighting of Surfaces) 구동방식이라는새로운표시방법이다. 이것은종래주사선하나에대해두개의전극을사용해표시하던방법대신에전극을같은피치로바꿔늘어놓아표시에사용하지않았던곳도표시에사용하려는발상에서탄생했다. 간단히말하면지금까지의전극에하나의전극을플러스하기만하면주사선수는 2배가되고배밀도표시가가능해진다고하는것이다. 또홀수라인과짝수라인을다른필드로표시함으로써보내져온신호를그대로순순히, 충실히표현할수있으므로정세도도높일수있다. 그리고, 주사선수는 2배가되지만전극은늘어나지않으므로제어를위한 LSI를늘릴필요가없고제조설비도종래의것을그대로사용할수있다는장점이있다. 개략적인 ALiS(Alternate Lighting of Surfaces) 의구동방식과현행구동방식의차이는 [ 그림2-15] 과같다. < 기존구동방식 > < ALiS 구동방식 > [ 그림 2-15 현행구동방식과 ALiS 구동방식의차이 ] D. 스위치소자의내압저감을위한 TERES 구동방식일본후지츠에서발표한 TERES(Technology of Reciprocal Sustainer) 구동법은기존의인가전압의 1/2 전압만으로도구동하여저내압구동소자를사용할수있을뿐아니라소비전력도기존의 1/2로줄일 - 28 -
수있는구동법이다. 또한, 기존의구동방식에비해전원단순화및스위치소자수를저감시킬수있어저가격화를실현할수있다. [ 그림 2-16] 는 TERES 회로의개략도를나타내고있다. 그림에서알수있는바와같이반주기동안에 X측에 +Vs/2를인가하고 Y측에는 -Vs/2를인가함으로써외부인가전압을절반으로감소시키나, 실제셀에는 Vs의전위차를서스테인전극측에발생시켜서스테인방전을일으키며다음반주기동안에는역의전압을인가함으로써서스테인방전을유지하는방식이다. [ 그림 2-16 TERES 회로의개략도 ] (3) AC PDP 의구동파형 1 ADS 구동파형개요현재주류를이루고있는 AC PDP의구동을위해인가되는구동파형은어드레스구간과서스테인구간이분리되어있는 ADS 구동방법으로개략적인구동파형은 [ 그림 2-17] 과같다. ADS 방식에서는셀을선택하는어드레스구간과영상을표시하는서스테인구간이구분되어전패널에서유지방전이동시에수행되는것이특징이다. [ 그림 2-17] 의램프리셋펄스을사용한 AC PDP 구동파형은기본적으로패널의모든셀을어드레스방전이전에동일한조건으로만들어주기위한초기화구간인리셋구간, 모든셀들에서리셋방전이발생하므로 OFF 셀에서도빛이발생될수있다. 리셋방전에의한빛의발생은화면의명암비 (contrast) 를감소시 - 29 -
키므로가능한빛의발생을억제시키기위해암방전을일으키도록램프펄스를이용한리셋을이용한다. 선택된스캔라인에영상데이터를기록하기위한어드레스 (Scan 또는 Address) 구간, 선택된 Y 전극에는스캔펄스를인가하고 X 전극에는데이터펄스를인가하여어드레스방전을일으킨다. 스캔구간에서어드레스방전으로선택된셀에서스테인펄스의인가시유지방전을일으키는서스테인구간으로크게분류된다. 이외에서스테인구간동안 ON 셀에축적된벽전하를소거하기위한소거 (erase) 구간이추가구성된다. [ 그림 2-17 Ramp reset 을이용한 AC PDP 구동파형 ] 2 리셋구간리셋구간은 PDP의모든셀들을초기화시키는구간이다. 초기화를시킨다는의미는모든셀들에대해서이전방전에서발생된모든벽전하를이후방전이정상적으로진행될수있도록동일한조건으로만들어주는것이다. 이구간에서리셋펄스는모든셀에동일하게인가되고리셋방전에의해발생되는빛은컨트라스트를저하시키므로, 리셋펄스는발광량을최소화시켜줄수있도록완만하게상승하는램프펄스를이용한암방전리셋방법을사용한다. 일반적으로램프펄스를이용한리셋구간은셋업 (setup) 구간과셋다운 (setdown) 구간으로 2구간으로구성되어있다. 셋업구간에서는완만하게상승하는램프파형이 Y 전극에인가되고 X 전극과 Z 전극은접지전위로유지시킨다. 셋업구간의램프펄스는이전의벽전하 - 30 -
의상태에상관없이모든셀의갭전압을일정하게초기화한다. 셋다운구간에서는 Y 전극에완만하게하강하는램프펄스가인가되며, Z 전극에는 Vs가, X 전극에는접지전위가인가된다. 셋다운램프펄스는갭전압을항복전압 (Breakdown voltage) 근처로이동시켜기록방전 (address) 이쉽게일어나도록한다. Glow Discharge Regime + - + - g(v) Plasma i = g(v) Townsend/Dark Discharge Regime V f V B V (a) (b) [ 그림 2-18 DC 방전의전류 - 전압특성과 AC PDP 의전극간등가회로 ] [ 그림 2-18] 에서주어진 DC 방전의전류-전압특성곡선과 AC PDP의두전극간의전기적등가회로를통하여갭방전의전기적특성을알아보자. AC PDP에서는전극과방전공간이절연체에의해격리되어있어서, 절연체벽면에대전된벽전하가방전에영향을미친다. 만약방전공간과절연체사이에가상전극을삽입한다면, 전극과가상전극은절연체를사이에둔커패시터를형성시키고, 유전체를한쪽으로모아도특성이같으므로두가상전극사이의방전공간의방전특성은 DC 방전특성과동일하게된다. 따라서, AC PDP의두전극간등가모델은방전공간과커패시터가직렬연결된 [ 그림 2-18 (b)] 과같이주어진다. 방전공간에의한갭커패시턴스를무시하고, 외부인가전압을 V A, 방전공간사이의갭전압을 V G 로두고측벽커패시터 (wall capacitor) 전압을 V W 로하면암방전의전압과전류식은다음과같이주어진다. - 31 -
[ 그림 2-18] 의방전특성곡선에서볼수있듯이, 갭전압이방전개시전압 V f 근방으로일정하게유지될경우전류변화에대한전압변화는거의없게된다. 따라서, 갭전압의시간에대한변화는아래와같이거의없다. 0 따라서, 측벽커패시터를충전시키는전류는다음식으로주어진다. 위의상관관계로부터측벽커패시터를충전시키는전류가정해지면전압은 DC 방전의전류-전압특성곡선에의해정해지는것과외부인가전압 V A 의램프파형의기울기가증가하면충전전류 i도증가하고, 램프파형의기울기가증가하면방전개시전압 V f 는임계전압 V B 에가까워지는것을알수있다. 램프펄스를인가한후, 램프펄스전압이방전개시전압근방에도달하면빛을거의발생시키지않는암방전이발생된다. 이방전에의해발생된전류가측벽커패서터를충전시켜방전공간에인가되는전압을감소시켜방전공간상의전압이 V f 로유지된다. 램프펄스의기울기가급할경우에는방전공간의전압이 V f 이상으로증가하게되어암방전영역에서글로우방전영역으로방전이진행되고발생하는빛의광량은갑자기증가하게된다. [ 그림 2-18] 은리셋구간에서의셋업구간과셋다운구간에서의암방전에의한벽전하의변화를도시하고있다. 3 어드레스구간 어드레스구간은리셋방전으로모든셀이어드레스방전이쉽게일어날수있는상태로만들어준후, 선택된스캔라인에영상데이터를기록하기위한구간이다. 스캔방식에따라모든셀을 OFF 상태로만들어준 - 32 -
후선택적으로 ON 시키는선택적기록방식 (Selective Writing, SW) 과모든셀을 ON 상태로만들어준후선택적으로 OFF 시키는선 Y Z(0V) Y Z(Vs) - - - - - + + - - - + + + + + + X(0V) X(0V) (a) Setup 후벽전하변화 (b) Set-down 후벽전하변화 [ 그림 2-19 리셋구간에서의벽전하의변화 ] 택적소거 (Selective Erase, SE) 방식으로구분된다. 일반적으로 SW 방식은계조표현력이우수한장점은있으나스캔펄스의폭이 SE 방식보다넓고, 전압도높아서전력소모와고속구동이어려운단점이있다. SE 방식은스캔펄스의폭이 SW 방식보다좁고, 전압도 SW 방식보다낮아서고속구동에적합하나어드레스구간에서소거방전를이용하므로콘트라스트를저하시키고전체적인계조표현력에문제가있어대부분 SW 방식을채용하고있다. [ 그림 2-20 Scan 구간파형개략도 ] - 33 -
리셋구간후에어드레스구간에서각전극에인가되는전압파형은 [ 그림 2-20] 와같다. 어드레스구간에서의동작상태를보면스캔펄스가인가되지않을때 Y-Z 전극사이에발생될수있는오방전방지를위하여 Y 전극전압을 + 전압인 Vscan으로유지시켜 X-Y 및 Y-Z 갭전압을감소시킨다. 어드레스구간동안 Z 전극에는어드레스방전시발생된플라즈마로부터 - 전하를 Z 전극으로유도시키기위하여 + Vs가인가된다. 어드레스방전은 Y 전극의전압이 Vscan으로부터 -Vy로변화되는스캔펄스와 X 전극의전압이 0V에서 Va로변화되는데이터펄스가동시에인가되는셀에서만발생된다. 어드레스방전전후벽전하의변화는 [ 그림 2-21] 와같다. Y Z(Vs) Y(-Vy) Z(Vs) - - - + + - - - + + + + X(0V) X(Va) (a) Set-down 후벽전하변화 (b) Address 후벽전하변화 [ 그림 2-21 Address 방전전후의벽전하변화 ] 어드레스구간이끝난후 Y 전극에 + 극성의벽전하가형성되어있고 Z 전극에는 - 극성의벽전하가형성되어있으므로 Y전극에 + 전압의서스테인펄스를먼저인가한다. 첫번째서스테인방전은 Z 전극에 - 전하가많이형성이될수록 Y-Z 갭전압이증가되기때문에강방전이발생하게된다. 이로인하여 scan 구간동안 Z 전극에인가되는 + 전압을증가시킬수록형성되는 - 전하가많아져어드레스방전후서스테인방전을발생시키기는용이하나, 지나친전압증가는서스테인펄스만에의해서도 Y-Z 전극사이에오방전을발생시킬수있다. - 34 -
4 Sustain 구간 서스테인구간은어드레스방전으로선택된셀에서스테인펄스가인가될때마다유지방전을일으키기위해 Y 전극과 Z 전극에서스테인펄스를교대로인가하는구간이다. 어드레스구간에서어드레스방전후 Y 전극에 + 극성의벽전하가형성되어있으므로, Y 전극에먼저 + 전압의첫번째서스테인펄스를인가하고, Z 전극은 0V로유지시켜서스테인방전을발생시키고, 이후에는 Z 전극과 Y 전극에 + 극성의서스테인펄스를교대로인가하여방전의유지시킨다. [ 그림 2-22] 은어드레스방전으로선택된셀과선택되지않은셀의벽전하상태및유지방전을도시한것이다. Y(Vs) Z(0V) Y(0V) Z(0V) Y(Vs) Z(0V) - - - - - - - - - + + + X(0V) + + + X(0V) + + + X(0V) (a) 비선택 cell 의유지방전후벽전하변화 Y(Vs) Z(0V) + + - - - + X(0V) Y(0V) Z(0V) - - - + + + X(0V) Y(Vs) Z(0V) + + - - - + X(0V) (b) 선택된 cell 의유지방전후벽전하변화 [ 그림 2-22 선택된셀과선택되지않은셀의벽전하및유지방전 ] [ 그림 2-22 (a)] 와같이선택되지않은셀에서는유지방전이일어나지않아셀내부의벽전하의변화가일어나지않고, (b) 와같이선택된셀에서는유지방전이일어나셀내부의벽전하의변화가일어난다. 서스테인회로의동작을살펴보면, 셀은기본적으로커패시터로구성되어있으며, 서스테인펄스가 Y-Z 전극들에인가될때커패시터에각전 - 35 -
극들에연결된구동회로를통하여충방전을반복한다. 이렇게커패시터에저장된에너지를구동회로에서회수하여재사용하면소비전력을감소시킬수있고구동회로의발열을줄여줄수있다. 서스테인펄스들에의해패널커패시터에저장된에너지를회수하는회로를에너지회수회로 (Energy Recovery Circuit) 라한다. 다음 [ 그림 2-23] 은에너지회수회로의개략도와파형도이다. V s S 1 L S 2 C s C S 3 S 4 [ 그림 2-23 에너지회수회로의개략도및파형도 ] 이회로에서 C는패널의 capacitance이며, C s 는회수된에너지를저장하는용량이큰커패시터고, 정상상태에도달한경우 V s /2의전압을가진다. 에너지회수회로의동작은다음과같다. ⅰ) Z 전극구동서스테인회로의출력은 0V로가정하고, C s >> C로가정한다. ⅱ) Cs에축적되어있는회수된에너지를패널에전달하기위해모든스위치를 OFF 상태에두고스위치 S 1 을 ON 시키면, 에너지회수회로의 L과패널커패시턴스 C 간에 L-C 공진회로가구성되고, 전압은 L-C 공진주기의 1/2 되는시간에최대값 Vs를가진다. (L-C 공진회로에서 C의초기전압이 0V라면 C 양단의전압 V(t) 로주어 V ( t ) = V Cs (1 cos( t / LC )) 지므로, 최대전압은 C s 의 DC 전압 V Cs 의 2배가된다.) - 36 -
ⅲ) C의전압이최대치에도달하였을때 S 1 을 OFF 시키고 S 2 를 ON 시켜서패널의최대전압을 sustain power supply 전압 Vs로유지시킨다. ⅳ) 주어진서스테인펄스의유지기간이지난후, S 2 를 OFF 시키고 S 3 를 ON 시켜서패널에저장된에너지를 Cs로회수시킨다. ⅴ) C 양단의전압이 0V가될때, L 양단의전류도 0A이되므로 S 3 를 OFF 시켜서 L 양단에역기전력의발생없이회로를끊을수있으며, S 4 를 ON 시켜서 C 양단의전압을 0V로고정시키면한 cycle의에너지회수가완료된다. - 37 -
제 Ⅱ 부 PDP 특허분석 및 특허분쟁기술분석 - 38 -
제 1 장미국공개특허의동향분석 PDP 패널및모듈을생산하는업체는한국의 LG전자, 삼성SDI, 오리온 PDP가있고, 일본의후지츠, 히다치, FHP( 후지츠와히다치의합작회사 ), 마쓰시다, 파이오니아, NEC 등이있었다. 이들업체들중오리온 PDP는 2006년중국창홍전자그룹에매각되었고, NEC는 2005년파이오니아에 PDP 생산시설및특허권을파이오니아에매각하였으며, 후지츠는 FHP의지분및특허권을히다치에매각하였다. 이들기업들의지난 10년간미국특허등록공보를대상으로출원동향을살펴보면아래도표와같다 1). [ 조사데이터베이스 : 델피온 ] (1) 미국특허출원동향 [ 그림 1-1 미국특허등록공보의출원동향 ] 미국특허등록공보의특허출원동향 350 300 250 건수 200 150 100 50 0 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 년도 1) 미국특허등록공보의경우최근출원의등록공보가발행되지않아최근의출원동향을알수없고, 미국특허공개공보는 2000. 11. 29. 출원건부터적용되었으므로 2001 년이후출원동향은정확히파악할수있으나양수인이기재되어있지않은경우가많아각기업별분석이불가능하였다. - 39 -
[ 그림 1-1 미국특허등록공보의출원동향 ] 을살펴보면전체적으로지난 10년간미국특허출원건수는한일간특허분쟁 2) 이시작되기직전인 2001 ~ 2002년이최고조를이루었고, 전체적으로는 2001 ~ 2002년을기점으로출원이감소하는것처럼보인다. 그러나, 아래 [ 그림 1-2 미국특허공개공보의출원동향 ] 을살펴보면 2000년이후계속증가추세를이어가고있어미국특허등록공보의감소경향은심사과정의시간차에기인한것으로보인다. 특히, 2001 ~ 2002년미국특허공개공보의출원건수가대략 300 ~ 350 건사이일때같은기간에출원된미국특허등록공보의출원건수도대략 3백여건으로유사한점에비춰보면미국특허등록공보의감소추세는심사시간지연에따른것으로보이며, PDP 출원은계속증가하고있는것으로보인다. 또, 미국특허공개공보의출원동향은 2003년에도증가하지만미국특허등록공보의출원동향은이때부터감소하므로미국특허등록공보의출원통계는 2002년까지만정확한것으로보아야할것이다. [ 그림 1-2 미국특허공개공보의출원동향 ] 미국특허공개공보의출원동향 700 600 500 출원건수 400 300 200 100 0 2001 2002 2003 2004 2005 년도 2) 2003 년에는후지쯔와삼성 SDI 사이에특허분쟁이있었고, 2004 년에는마쯔시다와 LG 전자사이에특허분쟁이있었다. - 40 -
[ 표 1-1. 지난 10년간주요기업별미국특허등록공보의출원동향 ] 업체 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 합계 LG전자 0 12 14 34 34 26 44 24 12 3 203 삼성SDI 2 1 7 15 32 12 25 33 32 8 167 마쓰시다 9 9 11 24 25 49 24 29 14 4 198 FHP 0 0 0 0 4 23 12 18 5 3 65 파이오니아 6 12 22 21 20 40 56 31 13 3 224 후지츠 25 26 18 31 24 23 14 15 1 0 177 히다치 5 6 6 6 7 11 21 6 8 1 77 NEC 4 12 21 18 14 22 19 7 1 0 118 합계 51 78 99 149 160 206 215 163 86 22 1229 [ 그림 1-3 미국특허등록공보의각기업별출원건수 ] 미국특허등록공보의각기업별출원건수 250 200 건수 150 100 50 0 LG 전자 삼성 SDI 마쓰시다 파이오니아 후지츠 히다치 FHP NEC [ 그림 1-2 기업별출원건수 ] 를살펴보면파이오니아가 1996년이후 224 건을출원하여가장많은출원을하였고, 그뒤를 LG전자 203건, 마쓰시다 198건, 후지츠 177건, 삼성SDI 167건으로그뒤를따르고, NEC, 히다 - 41 -
치, 및 FHP는각 118건, 77건, 및 65건으로앞의기업에비하여출원건수가저조하다. [ 그림 1-3 미국특허등록공보의기업별출원동향 ] 미국특허등록공보의각기업별출원동향 60 건수 50 40 30 20 10 LG 전자삼성 SDI 마쓰시다파이오니아후지츠히다치 FHP NEC 0 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 년도 [ 그림 1-3 미국특허등록공보의기업별출원동향 ] 을살펴보면파이오니아, LG전자, 및마쓰시다가 2002년까지가장많은출원을한반면, 후지츠와 NEC, 및 FHP는출원건수가저조하다. [ 그림 1-4 미국특허등록공보의 LG 전자의년도별출원동향 ] 미국특허등록공보의 LG 전자년도별출원동향 45 40 35 30 건수 25 20 15 10 5 0 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05-42 -
[ 그림 1-4 삼성 SDI 의년도별출원동향 ] 삼성 SDI 35 30 25 건수 20 15 10 5 0 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 [ 그림 1-5 히다찌의년도별출원동향 ] 마쓰시다의연도별출원동향 50 45 40 35 30 건수 25 20 15 10 5 0 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 [ 그림 1-6 파이오니아의년도별출원동향 ] 파이오니아의연도별출원동향 60 50 40 건수 30 20 10 0 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05-43 -
[ 그림 1-6 후지츠의년도별출원동향 ] 후지츠의연도별출원동향 35 30 25 건수 20 15 10 5 0 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 [ 그림 1-7 히다치의년도별출원동향 ] 히다치의연도별출원건수 25 20 15 건수 10 5 0 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 [ 그림 1-8 FHP 의년도별출원동향 ] FHP 의연도별출원건수 25 20 15 건수 10 5 0 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05-44 -
[ 그림 1-8 NEC 의년도별출원동향 ] N E C 의연도별출원건수 25 20 15 건수 10 5 0 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 (2) 기술별미국특허출원동향 PDP 기술을패널구조에관련된기술 ( 국제특허분류 H01J 17/49) 과구동방법에관련된기술 (G09G 3/28) 로분류하면 LG전자, 삼성SDI, 마쓰시다, 후지츠는대략 50 : 50 수준으로균형을유지하고있으나, FHP는 74%, 파이오니아는 66%, 및히다치는 64% 로구동방법에관한특허가더높은비중을차지하고있어이들기업은패널구조보다는구동방법에관한연구개발에중점을두고있음을알수있다. [ 그림 1-9 LG 전자의기술별출원비율 ] [ 그림 1-10 삼성 SDI 의기술별출원비율 ] LG 전자의기술별출원비율 구동방법 52% 패널구조 48% 구동방법 49% 패널구조 51% - 45 -
[ 그림 1-11 마쓰시다의기술별출원비율 ] [ 그림 1-12 NEC 의기술별출원비율 ] 구동방법 45% 패널구조 34% 패널구조 55% 구동방법 66% [ 그림 1-13 파이오니아의기술별출원비율 ] [ 그림 1-14 후지츠의기술별출원비율 ] 패널구조 34% 패널구조 45% 구동방법 66% 구동방법 55% [ 그림 1-15 히다치의기술별출원비율 ] [ 그림 1-16 FHP 의기술별출원비율 ] 패널구조 37% 패널구조 26% 구동방법 63% 구동방법 74% - 46 -
제 2 장 PDP 패널구조 전세계적인디지털위성방송시대의도래와함께 internet으로대표되는디지털네트워크의인프라구축산업이빠르게발달해왔고, 그에따라디지털기술에기반을둔디스플레이산업도빠르게성장해왔다. 초기에는 CRT(Cathod Ray Tube) 가주축을이루었던디스플레이판도는차츰 LCD(Liquid Crystal Display) 와같은평판디스플레이장치로재편되었고, 현재에는평판의대화면, 고화질디스플레이에대한요구가증대되고있는추세에있다. 이러한시장상황에대화면인동시에박형으로경량화를꾀할수있을뿐아니라, 화상입력신호에서화상출력신호까지모두 digital로실현이가능한장점을갖고있는 PDP(Plasma Display Panel) 는 digital network 시대에가장적합한표시 device로지목되어왔고, 그에따라한국과일본의디스플레이업체를주축으로많은 PDP의연구, 개발을진행해온결과현재에는 40인치이상대형디스플레이시장을 PDP가주도해가고있다. 그러나, PDP 개발초기에 PDP가 CRT나 LCD와같은타디스플레이장치와의경합에서우위를점하기위해서는저가격화, 고화질화, 저소비전력화등의 3대요구를만족시켜야만했었다. PDP는크게패널부과구동회로부및제어부로이루어져있으며, 이들중패널부를구성하는전극구조, 셀구조, 유전층, 보호막, 형광막및가스등은앞서언급하였던저가격화, 고화질화, 저소비전력화등의 PDP 성능을좌우하는주요인자라할수있다. 그러므로 PDP의연구, 개발을진행해온이후줄곧 PDP의성능을향상시키기위하여패널부의각구성요소의구조를개선하는연구가진행되어왔고, 그에따른많은특허들이출원되어왔다. - 47 -
따라서본장에서는현재까지 PDP의패널구조중 PDP 양산및개발에적용이되었거나, 향후 PDP 개발에적용될여지가있는기술들의특허에관하여기술하고자한다. 1. 전극구조 현재상용화되고있는대형 AC PDP의전극구조는후지츠사가출원한 3전극면방전형구조에그근간을두고있다. 그이후전극구조는주로고효율의관점과고속구동의관점에서개선되어왔으며대표적으로유지전극및어드레스전극의형상을변화시킨특허와보조전극을삽입한특허등이있다. (1) ITO 전극구조일본공개특허공보제55113237호는현재상용화되고있는 AC PDP 전극구조의근간이되고있는 3전극면방전형전극구조에관한특허로서, 기존대향방전형가스방전표시패널에서는발광휘도가낮고방전에서발생한이온이형광체를충격함으로인하여형광체열화로인해수명이낮음문제점을발견하고, 3전극면방전전극구조를취하여형광체를면방전영역과간섭하지않는기입전극 (X전극) 상에형성함으로써발광휘도및수명을향상시키는것을특징으로한다. 그림 2-1 일본공개특허공보제 55113237 호 11,12,21,22 : Y 전극 ( 유지전극 ) 3 : X 전극 ( 기입전극 ) 5 : 유전층 6 : 방전공간 31 : 형광체 - 48 -
이와같이초기 3전극면방전형구조하에서는주로 stripe 형상의금속전극이방전유지전극으로채용되어있었기때문에 PDP를대형화할경우넓은전극면적으로인하여소비전력이증가하고효율이감소하는문제점을안고있어서초기 stripe 형상의금속전극의구조를보다개선할필요성이대두되었다. 일본등록특허공보제3352821호는초기 stripe 형상의소비전력증가에의한효율저하의문제점을개선하기위하여돌출형유지전극구조를형성하여방전발광픽셀내의전극면적을줄임으로써휘도의저하없이소비전력을줄이고자하는것을특징으로한다. 돌출형유지전극은불투명한금속으로형성된버스전극과방전공간으로돌출된투명전극으로구성되며, 방전시격벽쪽으로의하전입자의확산을막고발광에기여하지못하는격벽주변의투명전극을제거하여발광효율을향상시키고자하는아래 (b) 구조와, (b) 구조의단점인방전전압상승의문제와휘도저하의문제를해결하기위하여유지전극간의마주보는부분의전극폭을넓혀 T자형상의투명전극구조를취함으로써방전전압의상승을최소화할뿐아니라, 방전갭근방의발광을충분히활용하여휘도를향상시키고자하는아래 (a) 구조와같은두가지형상의유지전극구조를갖는것을특징으로한다. 그림 2-2 일본등록특허공보제 3352821 호 - 49 -
이와같이기존의유지전극구조하에서휘도를향상시키기위해서는전극폭을증가시켜야하지만전극폭이증가할수록소비전력은증가하고투과율은감소하는문제를여전히안고있었다. 일본등록특허공보제3448549호는투명전극에다수의통과홀을형성함으로써투명전극면적을증가시키더라도소비전력증가및투과율저하를방지하여방전효율을향상키는것을특징으로한다. 그림 2-3 일본등록특허공보제 3448549 호 16 : 투명전극, 17 : 금속전극, 18 : 통과홀 한편, 앞서일본등록특허공보제3352821호에서언급한돌출형방전전극구조에서는상부및하부기판의열처리및 sealing 공정으로인하여돌출형및 T형방전전극을격벽과격벽의중앙에정확히위치시켜야하는얼라인의문제가발생하게되고, 결국방전전압특성및화질저하를초래하는문제점이발생하였다. 한국등록특허공보제0379501호는앞서언급한돌출형방전유지전극구조에서얼라인문제를해결하기위하여방전유지전극상에서로소정간격을갖는적어도 2개이상의절결부를형성하여방전전류량을감소시킴으로써방전효율을향상시킬뿐만아니라상기절결부는얼라인과상관없이구현가능하므로종래의얼라인문제를해결하고자하는것을특징으로한다. - 50 -
그림 2-4 한국등록특허공보제 0379501 호 11 방전전극, 12 : 금속전극, 13 : 격벽, 14 : 절결부 한국등록특허공보제0503023호는앞서언급한돌출형방전유지전극구조중 T형방전유지전극구조에서는방전유지전극면의부분중에서방전에기여하는바가적은부분이존재하여방전효율을떨어뜨리는문제점을발견하고방전유지전극의돌출부에오목부 (long gap, A) 와볼록부 (short gap, B) 을형성하여방전개시전압을낮추고방전효율을향상시키고자하는것을특징으로한다. 그림 2-5 한국등록특허공보제 0503023 호 [ 종래도면 ] [ 대표도면 ] 12 : 투명전극, 14 : 방전유지전극, 15 : 격벽 - 51 -
(2) 多전극유지전극구조전면기판상에한쌍의방전유지전극만으로구성된종래의면방전형구조에서는방전셀의중앙부의휘도는높지만, 중앙부로부터멀어질수록휘도가저하하는문제점을갖고있었다. 그러므로 PDP의발광효율을보다향상시키기위하여서는방전셀전역에골고루높은휘도를발생시킬수있는전극구조가요구되고있었다. 일본등록특허공보제03234270호에서는상기와같은요구를만족시키고자전면기판상의방전셀내에두개의 X전극을형성하고상기 X전극사이에 Y전극을형성함으로써두개의갭사이에서방전이발생하게하여방전셀의중앙부및주변부의휘도를향상시킴으로써발광휘도및효율을향상시키고자하는것을특징으로한다. 또한, 일본등록특허공보제03234270호에서는두개의 X전극을형성함에있어서하나의 X전극을인접셀과공유하게하는구조나혹은셀별로두개의 X전극을분리해서배치하는구성을포함하고있다. 그림 2-6 일본등록특허공보제 03234270 호 ( 가 ) 휘도분포 ( 나 )X 전극을인접셀과공유하는구조 ( 다 )X 전극이인접셀과분리된구조 13a, b : X 전극, 14 : Y 전극, 22 : 어드레스전극, Wb,Wa : 셀영역 그러나, 상기와같이전면기판상에多전극을형성하는종래의면방전형구조를갖는 PDP를구동하기위한구동회로에서는 X전극과 Y전극구동회로가다름으로써유지방전구간에서파형이왜곡되고방전불량이발생하는문제점을갖고있었다. - 52 -
상기전면기판상에多전극을형성하는종래의 PDP가갖는구동에따른문제점을해결하기위하여한국등록특허공보제0536221호에서는전면기판상에 3전극을형성하는구조에서중앙의전극을 M전극이라칭하고, 상기 M 전극에리셋과스캔파형을인가하고유지방전시에도 M 전극을통하여숏갭방전을일으켜상기 M전극의양측에위치하는 X 및 Y전극간에롱갭방전을일으킴으로써방전의불량을방지하고 X 및 Y전극을동일한구동회로에연결함으로써회로구성을단순화하는것을특징으로한다. 그림 2-7 한국등록특허공보제 0536221 호 ( 가 ) MARI 구조 ( 나 ) MARI 구조의구동파형 (MARI : Multi Anode for Reduction of Ionic effect) 53 : X전극, 54 : Y전극, 46 : 버스전극, 56 : M 전극 (3) Addres 전극구조전면기판상의방전유지전극의구조가앞서기술한바와같이주로효율향상의목적으로개선되어왔다면후면기판상의어드레스전극의구조는주로어드레싱동작의안정화및고속화의관점에서개선되어왔다. 초기에는 stripe 형상의단일전극만으로어드레스전극이형성되어있어어드레스기간동안데이터를어드레스전극에기입하는기입방전시방전형성지연및통계적지연으로인한방전 delay가길어지고그로인해오방전이발생하는문제가발생하였고, 이를해결하기위해서는어 - 53 -
드레스전극에인가되는데이터펄스전압을높여야만하는문제가발생하였다. 일본등록특허공보제02962039호는 stripe 형상을가진어드레스전극이갖는문제를해결하기위하여방전셀에있어서주사전극과서로대향하는부분의어드레스전극 ( 데이터전극 ) 의폭이기입방전에기여하지않는다른부분의열전극폭보다넓게하여고속이면서정확한데이터기입동작을행하도록하는것을특징으로한다. 그림 2-8 일본등록특허공보제 02962039 호 34, 45 : 방전셀 30, 40 : 데이터전극 41 : 주사전극 한국등록특허공보제0303907호에서는 stripe 형상의어드레스전극을표시화면을구획하도록형성함으로써주사시간을단축하여어드레싱고속화를도모하는한편, 아래 그림2-9 와같이어드레스전극을분할할경우구획된부분화면의경계에서오방전이발생하는문제를해결하기위하여경계영역의분할된어드레스전극이경계영역의스캔전극상의대향측위치까지만형성되도록하여분할된부분어드레스전극간의간격이주전극쌍의사이간격보다넓게형성함으로써오방전이발생하는것을방지하는것을특징으로한다. - 54 -
그림 2-9 한국등록특허공보제 0303907 호 A1, A2 : 부분어드레스전극, DL : 경계 ( 분할위치 ), X,Y : 유지전극 (4) 유지전극배치및형상고화질및고정세디스플레이에대한소비자의요구가증대됨에따라 PDP 또한고화질및고정세화의화면을구현하기위한연구가진행되어왔다. 그러나, 표시행의각각에한쌍의유지전극이배치되어있는종래의 PDP 구조에서는화소피치를줄일수있는정도가제한되어고화질및고정세화디스플레이를달성하는데문제가발생하였다. 한국등록특허공보제0336824호는 Y전극양측에 X전극을배치하고 Y 전극과상하측의 X전극사이영역을홀수및짝수표시행으로구분하여기존의하나의프레임을홀수와짝수프레임으로양분하여구동함으로써화소피치및구동회로수를줄일수있도록하여고화질및고정세 PDP를구현하고자하는것을특징으로한다. 상기한국등록특허공보제 0336824호를이용하여일본의후지츠사에서는 ALIS (Alternate Lighting of Surface) 구동을적용한제품을출시하기도하였다. - 55 -
그림 2-10 한국등록특허공보제 0336824 호 [ 종래도면 ] [ 대표도면 ] L1~L8 : 표시행 PDP에대한고화질및고정세화의요구와아울러, PDP가소비자에게더가까이다가가기위해서는제조비용을절감함으로써값싼 PDP를제작하는것이무엇보다도중요하였다. PDP의제조비용을절감하는방안으로써구동회로소자수의절감과구동회로의내압을감소시키는등의구동회로와관련된방안과함께재료및장비의국산화와저가격화및패널을구성하는각각의 layer를제거하는등의패널과관련된제조비용의감소방안이제안되어왔고, 패널측에서는투명전극을형성하는데많은공정과제조비용이소모되어왔기때문에투명전극의 layer를제거하기위한연구가진행되어왔다. 한국등록특허공보제0586331호는투명전극을사용하지않고가늘고긴도체층만으로유지전극을구성하여공정수및제조비용을절감하는것을특징으로한다. 일본 Matsushita의자회사였던미국의 Plasmaco사에서는상기와같이투명전극을사용하지않고도체층만으로유지전극을형성한 60인치 PDP를제작하여학회에발표하기도하였다. - 56 -
그림 2-11 한국등록특허공보제 0586331 호 [ 종래도면 ] [ 대표도면 ] 10, 42, 44 : 피드전극 ( 금속전극 ), 20, 40 : 투명전극 74, 76, 78, 80, 83, 84 : 도체전극 ( 금속전극 ) 앞서논한바와같이, 유지전극의배치및형상은고화질, 고정세화의측면과저가격화의측면에서개선되어온것과더불어저소비전력및고효율의측면에서도많은연구가되어왔다. PDP는전극간의간격이좁기때문에 glow 방전시발광효율이높은양광주영역을이용하기보다는비교적발광효율이낮은부글로우영역을이용하고있다. 이때문에 PDP에서도양광주영역을이용하여발광효율을향상시키고자하는시도가있어왔으나, 작은서브픽셀의물리적공간의제약으로인해양광주발광을활용하는데어려움이있었으며, 단순히 PDP 유지전극간의간격을넓힐경우구동전압이상승하는문제로인하여양광주발광은실현되지못하고있었다. 미국등록특허공보제6184848호에서는양광주발광을활용할수있는정도로제1 서스테인전극과제2 서스테인전극간의간격을넓히되종래의구동메카니즘과는달리서스테인 ( 유지방전 ) 시에어드레스전극과제 1 서스테인전극간의방전을생성한후어드레스전극을따라제1 및제 2 서스테인전극간에방전이발생하게함으로써제1 및제2 서스테인전극간의양광주발광을사용할수있게하는것을특징으로한다. - 57 -
그림 2-12 미국등록특허공보제 6184848 호 상기와같은양광주발광을활용하기위한구조및구동은현재제품에적용되고있지못하고여전히많은개선점을내포하고있지만, 여전히차세대 PDP의전극구조로서채택될수있는유력한후보라할수있다. 양광주발광을활용하기위한또하나의대표적인구조로서격벽과같은유전체격자내에유지방전전극을삽입하여기존의면방전이아닌대향방전을통하여양광주발광을형성하고자하는구조가제안되었다. 상기와같이유전체격자내에전극을삽입하여대향형방전을이용하고자하는구조의제안은초기에전극을형성함에있어방전유지전극이고온소성프로세서를요하는후막형성공정에의하여기판표면에형성됨으로써기판의왜곡과유전층및도전층에크랙및일그러짐등이발생하는것을해결하기위한방안에서출발하였다. 미국등록특허공보제07067979호에서는제1 및제2 기판사이에소정두께의코어유전체격자와상기코어유전체표면에도체후막필름층이형성되어있는시트를형성함으로써기판과전극을분리하여소성시크랙및일그러짐현상을해결하고유전체표면의도체전극간에대향형방전을유도하는것을특징으로한다. 상기유전체표면의도체전극간에대향방전을유도하는구조는후에격벽내에전극을형성하여대향방전을유도하는구조로서개선되어왔고, 차세대 PDP 전극구조로서주목받고있다. - 58 -
그림 2-13 미국등록특허공보제 07067979 호 20: 격자시트, 46:X 전극, 48:Y 전극, 32: 코어층, 42: 유전체커버, 44: 보호층필름 한편, 화상표현과는무관하게 PDP 패널제작직후에에이징공정시높은전압이인가됨에따라유전층의절연파괴가일어나고이로인해전극의단선이발생하는문제점이발생하는것을해결하기위하여한국등록특허공보제0581414호에서는에이징공정시전극간의초기방전전압을저감시킬수있도록화상표시부유효면외곽에표시전극에비해전극폭또는전극높이가크거나전극간의간격이작은더미전극을구비하는것을제안하였다. 이후상기더미전극은에이징공정뿐만아니라, 실제화상형성시에어드레싱방전을고속화하고오방전발생을방지하는도구로서이용되고있다. 그림 2-14 한국등록특허공보제 0581414 호 [ 종래도면 ] [ 대표도면 ] 3 : 서스테인전극, 4 : 어드레스전극, 103a : 더미전극, 1a : 유효면, 1 : 상부기판 - 59 -
(5) 전극 alignment 종래패널에서는전면기판과배면기판을정확히결합시키기위하여원형또는사각형의얼라인마크가방전전극과는별개로형성되어있었으나, 종래의얼라인마크는회로선의접합을고려하지않고자동화에의해기판에접합하는것만을고려하여마련됨으로써회로선을재접합이나수작업으로접합할경우얼라인이힘들고미스얼라인이발생하기쉬운문제점을안고있었다. 한국등록특허공보제0522679호는종래의구조에서회로선접속이어려운점에주목하여방전전극의단자부에소정의형상으로음각된얼라인마크부재와상기얼라인마크부재와대응되는얼라인마크를형성함으로써단자부와회로선의얼라인및접합을쉽게할수있도록하는것을특징으로한다. 그림 2-15 한국등록특허공보제 0522679 호 70 : 얼라인마크부재 51 : 제1 단자부 71 : 제1 마크 73 : 제2 마크 80 : 얼라인마크 81 : 제3 마크 83 : 제4 마크 60 : 회로선 61 : 제2 단자부 90 : 구동회로부 - 60 -
2. 셀과격벽구조 AC PDP의격벽및셀구조는고효율과방전안정화 (cross-talk 방지 ) 의관점에서변화하여왔다. 초기 Red, Green, Blue의셀라인을구분하는 straight 형상의격벽구조에서형광체도포면적을늘임으로써고휘도, 고효율을달성하고자격자형구조나 Fish bone 구조등이출원되어제품에적용되었고, 이후격자형구조가지니고있는배기성능저하및셀용량 (capacitance) 증가에의한소비전력증가의문제를개선하기위하여단차격벽및 Waffle 구조의격벽에관한출원이그뒤를이어왔다. 한편, 제한된 pixel size 내에서최대의발광면적을확보하기위하여 Delta 형태의격벽구조도출원되어 PDP 개발품에적용되기도하였지만, 비대칭적인 sub-pixel의배열로인하여고화질의화상을구현하지못하는문제점을드러내기도하였다. (1) Stripe type 구조종래의격자형상셀구조하에서는 1개의화소에 4개의표시전극이배치됨으로인해고해상도및고속화면표시가가능한 PDP를실현하기어려운문제점을안고있었고이를해결하기위하여일본등록특허공보제02731480호에서는한방향으로 3개의단위발광영역을구성하도록격벽및형광체를배치하여 PDP의고정밀화가가능하도록하는 stripe 형상의격벽구조가제안되었다. 그림 2-16 일본등록특허공보제 02731480 호 EG : 화소 EU : 단위발광영역 X, Y : 표시전극 - 61 -
그러나, Red, Green, Blue 간의 stripe 격벽간의간격을동일하게설정하는 stripe 격벽구조에서는각형광체색의휘도비가다름으로인해색온도가저하하기때문에색온도를향상시키기위해서는휘도를억제해야하는문제가발생하였다. 일본등록특허공보제03244029호에서는상기와같은 stripe 격벽의문제점을해결하기위하여 Red, Green, Blue 격벽간의간격을각형광체의휘도에따라다르게설정하여색온도를향상시킬수있는방안을제안하였다. 그림 2-17 일본등록특허공보제 03244029 호 한편, PDP의발광휘도를향상시키기위해서는형광제도포면적을확대해야하지만, 종래의 stripe type 격벽구조에서는형광체도포면적을확대하기가어려운문제점을또한안고있었다. 한국등록특허공보제0312922호에서는종래의 stripe type 격벽에서형광체도포면적을확대하기어려운문제점을해결하기위하여방전공간의경계부에격벽을돌출시킴으로써형광막의도포면적이최대가되도록하여방전시형광체여기에의한발광휘도를향상시키는것을특징으로한다. - 62 -
그림 2-18 일본등록특허공보제 03244029 호 4 : 어드레스전극, 5 : 형광체, 103 : 격벽, 2 : 배면기판 (2) Delta type 구조초기 PDP에서칼라표시용방전셀이 Red, Green, Blue, Green의사각배열을형성하는구조를채용하고있었고, 상기와같은구조에서는 Green 셀이두개의개소에배치됨으로인하여화질이떨어지고구동회로의구성이복잡하게되는문제가있었다. 이러한문제를해결하기위하여일본등록특허공보제02625971호에서는삼각배열의 Red, Green, Blue 3개의방전셀만을하나의화소로하는방전셀군을형성하고 X 및 Y전극간의매트릭스구동을행하여칼라표시의화질을향상시킬수있는구조가제안되었다. 그림 2-19 일본등록특허공보제 02625971 호 11, 12, 13 : 방전셀, 14 : 화소 - 63 -
이후 stripe type의방전셀구조가제안되면서 PDP 구조에대한연구, 개발은주로 stripe type 구조에초점이맞춰졌었다. 그러나상기 stripe type의격벽및셀배치를채용하는구조에서는비발광영역을넓게함으로써인접셀간의방전간섭을방지하기때문에, 실제발광에기여하는영역의면적이줄어들어휘도가낮고나란하게배치된서브픽셀의배치로인하여픽셀피치의축소가곤란하다는문제점이대두되었고이를해결하기위하여다시 Delta type의격벽및셀구조로눈을돌리게되었다. 일본등록특허공보제03719743호는격벽형상을 meander 형상으로형성하는것을특징으로한다. 격벽형상을 meander 형상으로형성한경우격벽의열공간폭이좁은부분에서는방전이억제되므로비발광영역을좁게설정하여도면방전간섭을방지할수있기때문에픽셀피치를종래의 stripe 구조에비해넓게설정할수있어고정세화에유리할뿐만아니라휘도를향상시킬수있었다. 그림 2-20 일본등록특허공보제 03719743 호 29 : 격벽 30 : 방전공간 그러나, delta type의격벽및셀구조에서도 R, G, B 셀각각의방전공간및전극면적이동일한경우 stripe type에서와마찬가지로 R, G, B 형광체의휘도차이에따른색온도저하및어드레스전압마진저하의문제가발생하였다. - 64 -
한국등록특허공보제0396493호에서는종래의 delta type 구조하에서발생하는색온도저하및어드레스전압마진저하의문제를해결하기위하여방전셀내에위치하는어드레스전극의선폭및형상을변화시킨 SDR(Segmented electrode in Delta color arrayed Rectangular subpixel structure) 구조를제안하여어드레스전압마진을증가시키고색온도를향상시키는것을특징으로한다. 그림 2-21 한국등록특허공보제 0396493 호 2: 어드레스전극 10: 격벽 12: 형광막 16: 버스전극 4: 유지전극 (3) Well type 구조초기 DC PDP의경우양극과음극간의대향방전을행하는구조로구성되어있었고, 그러한대향방전형구조에서는방전에의해발생한가시광이형광면을투과해서관찰자에게시인되기때문에광량의감소에의해휘도가감소하는문제가발생하였다. 일본등록특허공보제02941346호는초기대향방전형 DC PDP의문제를해결하기위하여형광면을셀격벽의벽면에형성할수있도록격자모양의격벽을형성함과아울러격자모양의격벽 (1, 3, 4, 5) 을형광체로형성함으로써휘도및효율을향상시키고, 격벽의관찰자측면에광흡수층 (6) 을형성하여콘트라스트를향상시키는것을특징으로한다. - 65 -
그림 2-22 일본등록특허공보제 02941346 호 1, 3, 4, 5, 23: 셀격벽, 6: 광흡수층 DC PDP에적용되었던격자형상의격벽구조는이후 DC PDP를대체하여 PDP의주류를이루게된 AC PDP에도적용되게되었다. AC PDP에서는대향방전형구조와함께면방전형구조가모두제안되어왔지만, 대화면디스플레이로서상용화에적용된구조는면방전형구조였다. 그러나, 면방전형구조에서는대향방전형구조와는달리전극의 edge부에강한방전이집중되어전극의 edge부가이온충격에의해손상됨으로써방전개시전압이상승하는문제가발생하는단점도안고있었다. 이러한면방전형구조의단점을개선하기위하여일본등록특허공보제03033223호에서는주사및유지전극과유지전극을대향하도록배치하여약간기울어진형태의방전을유발함으로써전극에지부가스퍼터링에의해열화되는것을막는한편, 격벽의 X 방향의높이를 Y 방향의높이에비해낮게함으로써전하이동에의한기입방전의신뢰성을향상시키는것을특징으로하는 PDP 패널을제안하였다. 상기일본등록특허공보제03033223호에서제안된 X 방향의격벽높이와 Y 방향의격벽높이가다른격자형격벽구조는후에면방전형 AC PDP에도적용되게되었고, 한국등록특허공보제0359525호에서면방전형 AC PDP의 stripe type의격벽구조에버스전극과평행한보조격벽을부가하고, 상기격벽과보조격벽의측면상에형광층을형성함으로써광방사영역증가에따라휘도를향상시키고, 보조격벽의높이를격벽높이보다낮게하여형광층형성을보다용이하게한 PDP 패널및그 - 66 -
제조방법을제안하게되었다. 그림 2-23 일본등록특허공보제 03033223 호 8 : 베리어립 6 : 형광체 4 : 주사및유지전극, 7 : 유지전극, 3 : 어드레스전극 그림 2-24 한국등록특허공보제 0359525 호 1a, 1b, 1c : 격벽, 52a, 52b, 52c, 52d : 보조격벽, 2: 방전공간, 9: 형광층 일본등록특허공보제03705914호에는종래의 stripe type 격벽구조에서자기흡수현상에의하여휘도및발광효율이저하하고, 인접화소간의가시광및전하의크로스토그현상에의하여색밸런스가저하되고오방전이발생하는문제점을개선하기위하여종래의제1 격벽에교차하는제2 격벽을형성하여형광체도포면적을넓혀서휘도를향상시키고, 제2 격벽에의하여인접화소간의크로스토크를저하시켜색밸런스저하및오방전이발생하는것을막고, 제2 격벽의높이를제1 격벽에비해낮게 - 67 -
하여배기컨덕턴스를향상시키는것을특징으로하는 PDP 패널에관해기재되어있고, 상기격벽을감광성필름에의해서형성하여공정을단순화시키는 PDP 패널의제조방법에관해서도기재되어있다. 그림 2-25 일본등록특허공보제 03705914 호 29 : 제1 격벽 50 : 제2 격벽 28 : 형광체 22 : 어드레스전극 종래의 stripe type 구조에서셀크기를감소시켜화상의정세도를향상시키고자하는경우에형광층도포면적이줄어들어휘도가감소하고이웃하는방전셀사이에방전간섭으로인해오방전이발생하는문제를해결하기위하여한국등록특허공보제0575408호에서는 Well type 격벽의종방향및횡방향의분할벽을형성함으로써오방전없이화상의정세도를개선하고, 광흡수층을도입하여콘트라스트를향상시키고, 수평분할벽사이에슬릿을형성하여분할벽과유리기판의접촉을균일하게함과아울러분할벽의왜곡을방지하는기술을제안하고있다. PDP에서도 CRT나타디스플레이와같이방전공간내에서발생하는불순가스를제거하기위하여게터를채용하게되었다. 그러나, 종래의 PDP에서는유효화면부의가장자리에게터가설치됨으로인해방전가스의배기가원활하지못할경우게터가제대로기능하지못하여효율이떨어지는문제가발생하였고, 이를해결하기위한방안으로한국등록특허공보제0497243호에서는기존의 well type 격벽을변형하여제1 격벽 - 68 -
부재들사이에 X형으로형성되어비표시영역을만드는제2 격벽부재를형성하고상기비표시영역에게터를설치함으로써유효화면부내에서발생하는불순가스를효과적으로제거하여잔상및수명의문제를개선한게터가내장된 PDP에관해기술하고있다. 그림 2-26 한국등록특허공보제 0575408 호 15Aa : 수직분할벽 15Ab : 수평분할벽 15A : 분할벽어셈블리 C : 방전셀 C' : 더미셀 SL : 슬릿 그림 2-27 한국등록특허공보제 0497243 호 25a : 제1 격벽부재 25b : 제2 격벽부재 29 : 형광체층 30 : 비표시영역 32 : 게터 - 69 -
3. 유전층구조 (1) 유전층구조 1964년미국 Illinois 대학의 Bitzer와 Slottow 교수가전극을 glass로덮으면서 AC형의 PDP의 prototype을제작한이후일본의후지츠사가출원한 3전극면방전형구조에서도전극을수평하게덮는유전층구조가적용되었다. 그이후현재까지도유전층의구조적인측면에서는큰변화가없었으며다만, 아래와같이유전층을착색하거나, 유전층에 groove 를형성하거나, 유전층내에칼라필터를삽입하는등의기술이출원되어개발제품에적용되어왔었다. ( 가 ) 상판유전층의형상 Bitzer와 Slottow 교수가전극을 glass로덮으면서시작된 AC형의 PDP는이후전극을 glass로덮는대신기판의전극상에저융점유리를인쇄로도포한후소성하여후막의유전체층을형성하거나 Al 2 O 3 와같은유전물질을전자빔증착에의해형성하는공정을적용하게되었다. 그러나, 상기와같이후막저융점유리를인쇄로도포한후소성하는경우막내에기포가잔류하고두께가불균일해짐으로써결점이발생하는문제가있고, 전극상에 Al 2 O 3 막을전자빔증착에의해형성할경우에는적정두께를확보하는데장시간이요구되는문제가발생하였다. 일본공개특허공보제55143754호에는상기와같이저융점유리의인쇄및전자빔에의한 Al 2 O 3 유전체막을형성시발생하는문제를해결하기위하여기판의전극상에 Al 2 O 3 제1층을전자빔증착법에의해증착한후 Al 2 O 3 보다증착속도가 2배나빠른 SiO 2 를 80% 이상함유하는제2 층을증착한후다시 Al 2 O 3 의제3층을형성하는순서로다층막구조를가지는유전체층을형성함으로써고품질의유전체층을단시간에효과적으로형성하는기술에관해기재되어있다. 상기와같이이종의성분을가지는유전체층을적층으로전극상에형 - 70 -
성하는기술은후에저융점유리를인쇄로도포한후소성하여유전체층을형성하는공정에도적용되기도하였다. 그림 2-28 일본공개특허공보제 55143754 호 1, 11 : 기판 2, 12 : 전극 3, 13 : Al 2 O 3 ( 제1층 ) 4, 14 : SiO2 ( 제2층 ) 5, 15 : Al 2 O 3 ( 제3층 ) 16 : 산화물막 앞서기술한단층혹은적층형유전체층구조에서는베리어립하부에도투명전극이있기때문에베리어립과유전체층간의틈을통해서방전이확산하여인접셀에오방전이발생하기쉽고, 면방전이버스전극까지확산하게되지만버스전극이전면으로나오는광을막음으로써발광효율이저하하는문제점이지적되었다. 그러므로일본등록특허공보제 03224486호에는전극을단순히덮는유전체층구조가지니는상기문제를해결하기위하여버스전극의상부에유전체층돌출부를형성함으로써베리어립과유전체층이밀착하게되어방전이투명전극을통하여인접셀로확산하는것을방지하고, 방전개시전압을낮추며, 방전이버스전극까지확산하지못하도록방전을제한함으로써소비전력을저하시키고발광효율을향상키는기술에관해기재되어있다. 또한, 종래의전극을단순히덮는유전체층구조에서는발광휘도를향상시키기위해서방전공간을확대해야했고, 방전공간을확대하기위해서는격벽의높이를높이거나유지전극의간격을넓혀야하지만, 이경우구동전압이상승하고방전이불균일해지는문제가발생하여발광휘도 - 71 -
를향상시키는데제약을안고있었다. 그림 2-29 일본등록특허공보제 03224486 호 23 : 유전체층 23a : 유전체층돌출부 24 : MgO S : 투명전극 Sa : 버스전극 한국등록특허공보제0487866호에는별도의추가공정없이유지전극사이에형성되는 BM층을유지전극보다두껍게형성하여유전층도포시자연스럽게유전층이굴곡지도록형성함으로써셀내부의방전공간을최대한확보하고방전시진공자외선양을증가시켜발광휘도를향상시킬수있는기술에관해기재되어있다. 그림 2-30 한국등록특허공보제 0487866 호 101 : 상부기판 107 : BM(Black Matrix) 층 105 : 유전층 103 : 투명전극 104 : 버스전극 종래의전극을단순히덮는유전체층구조에서유전체층의두께를얇게함으로써방전강도를증가시켜휘도를향상시키는것이가능하지만, 이경우발광효율은오히려감소하는문제점이있다는것이지적되어서 - 72 -
단순히유전체층의두께를얇게형성함으로써구동전압을낮추고발광휘도를향상시킬수는없었다. 이러한문제를해결하기위하여방전갭에요철부를형성하는구조가제안되었지만, 방전갭에요철부를형성하는경우에는방전갭근방에강한방전이집중되기쉽기때문에방전갭근방에서형광체휘도의포화가발생하기쉽고이러한휘도의포화는발광효율을저하시키는요인으로작용하였다. 일본등록특허공보제03442069호에는전체유전체층의두께를감소시키지않고방전셀내의유전체층표면에 2개이상의요철부를형성함으로써유전체층의용량이각요철부에서국소적으로커지므로방전유지전극에인가되는전압이상기각요철부에집중되게되어방전개시전압을낮출수있으며요철부에서발생한방전은방전갭근방뿐만아니라주변으로확산하기때문에발광휘도의포화를억제할수있어발광효율또한향상시킬수있는 PDP 유전체층의구조에관해기술되어있고, 아울러상기유전체층과각요철부를형성함에있어기존의인쇄공정이나진공증착공정대신전사필름을이용하여기존의공정에비해공정수및제조비용을줄이고자하는전사필름을이용한제조방법에관해서도기술되어있다. 그림 2-31 일본등록특허공보제 03442069 호 106 : 유전체층 107 : 보호층 103a, `103b : 표시전극 501a~505a : 오목부 501b~505b : 오목부 202a : 방전셀중앙부 202b : 방전셀주변부 - 73 -
( 나 ) 상판유전층의착색비발광시의형광체색상이백색일경우발광셀과비발광셀간의명암이불명료하고화면표시의시인성이나쁜단점을가지고있으며, 이를해결하기위하여유리기판표면에반투명의도료를바르는등색필터를마련한다하더라도미소표시셀에대응하여도료를바르는것이곤란하고, 열처리공정등에의해도료가박리해버리는문제점이있었다. 이러한문제점을해결하기위한방안으로일본등록특허공보제02971914호에서는유지전극상의형광체의 R, G, B 발광색에대응되는곳에형광체의발광색을투과시키는착색유전체층을형성하여형광체의발광을착색유전체층및기판을통하여관측하도록함으로써화면표시의콘트라스트를높여시인성이뛰어난칼라표시를가능하게할수있는 PDP 패널을제안하고있다. 상기착색유전층은납유리등의저융점유리분말과필러 ( 점착제 ), 유기용제및 R, G, B의각각에대응하는착색안료를혼합한유리페이스트를스크린인쇄법으로각셀에대응하는소정의패턴을형성한후에건조및소성처리에의해형성하고있다. 그림 2-32 일본등록특허공보제 02971914 호 15R, 15G, 15B : 착색유전체층, 12 : 유지전극, 19 : MgO 보호막 22 : 어드레스전극, 25 : 격벽, 28 : 형광체 또한, 형광체분말이백색일경우외광의입사에의해콘트라스트가현저히저하하는문제를해결하기위하여전면기판에칼라필터및필터보호층를형성하고그위에투명전극을형성하는구조가제안되었지만, - 74 -
이또한, 소성공정에의하여필터보호층과투명전극에균열이발생하는문제가발생하였다. 일본등록특허공보제03063693호에서는전면기판에칼라필터와필터보호층을형성하는대신투명전극을피복하고있는유전체층에무기안료로형성되는칼라필터를설치하고 R, G, B 색상간의투명유전체층의두께를다르게하여색상간의정전용량을일치시킴으로써콘트라스트를향상시킬뿐만아니라균일한화상을얻을수있는칼라 PDP 기술에관해제안하고있다. 상기무기안료를이용한칼라필터층에관한실시예에서 Red 셀에는 Fe 2 O 3, Green 셀에는 CoO-Al 2 O 3 -Cr 2 O 3 -TiO 2, Blue 셀에는 CoO-Al 2 O 3 무기안료분말이적용되었으며, R, G, B 색상간의정전용량을일치시키기위하여 Red 및 Green 셀의경우유전체층두께를 33μm로설정하고 Blue 셀의경우유전체층의두께를 27μm로설정하고있다. 그림 2-33 일본등록특허공보제 03063693 호 1 : 전면기판, 2 : 투명전극, 4 : 투명유전체층, 14 : 필터층 ( 다 ) 백색유전층종래에는콘트라스트를향상시키기위하여흑색페이스트를인쇄하여흑색격벽을형성함으로써방전셀을제작하였다. 그러나흑색격벽으로방전셀을형성하는경우형광체의빛을전면유리판으로반사시키는효 - 75 -
율이낮기때문에발광효율이낮은문제점이있었고, 이를해결하기위해흑색페이스트의흑색안료를제거하는시도가있었지만, 여전히효율상승이미비하였다. 일본등록특허공보제06044452호에서는발광효율을향상시키기위하여형광체빛의반사효율이높은백색유리와백색격벽을형성하고, 전면기판의관측면의방전셀을흑색격자로둘러싸서콘트라스트저하를줄이는기술을제안하고있다. 상기의백색유리는이후 PDP 후면기판의어드레스전극을덮는 white back 유전체층으로적용되어왔다. 그림 2-34 일본등록특허공보제 06044452 호 FG : 전면판, RG : 배면판, DA : 표시양극, C : 음극, CB : 음극모선 BM : 흑격자, WG : 백색글라스, WB : 백색격벽 (2) Black stripe 구조 Black stripe는 PDP의 contrast ratio를향상시키기위하여전면기판의비발광영역내 ( 인접셀의유지전극간 ) 에삽입되는절연재료로서 Pioneer사와후지츠사가자사가개발한 3전극면방전형 AC PDP에적용한이후에구조적인측면보다는재료적인측면이나 Black stripe를제작하는공정적인측면을개선한기술들이출원되어왔다. 일본등록특허공보제03224486호에서는종래의구조에서버스전극의두께나격벽표면의요철에의해격벽아래틈이생겨인접셀이발광하 - 76 -
는문제가발생하고, 기존의버스전극상의발광은전면으로나오지않기때문에발광효율을저하하는원인이됨을발견하고, 버스전극상의유전층에돌출부를형성하여인접셀에오방전이발생하는것을방지하고, 방전이버스전극까지확산되지않도록하여방전전류를감소시킴으로써발광효율을향상시킴과아울러콘트라스트를향상시키기위하여상기유전층의돌출부 (23a) 상에블랙층을형성하는기술을제안하고있고, 상기출원이후에전면기판상에블랙층의형성에관한출원이계속적으로이어져왔다. 그림 2-35 일본등록특허공보제 03224486 호 1 : 전면판, 2 : 배면판, 23 : 유전체층, 23a : 유전체층돌출, 24 : MgO, S : 투명전극, Sa : 버스전극 한국등록특허공보제0320328호에서는방전셀사이의갭으로외광이비추면백색을띄는형광체에외광이산란하여표시콘트라스트가저하하는문제를해결하기위하여표시라인간의비발광영역에흑색안료를함유한차광막을형성함에있어차광막이표시전극쌍과다소이격되도록형성하거나표시전극쌍사이에인접해서형성되거나표시전극쌍의버스전극과다소겹치도록형성함으로써외광의반사를방지하여콘트라스트를향상시키는기술을제안하고있다. 상기차광막은저융점유리분말과유기감광레지스터및흑색안료로구성이되고, 흑색안료는 Mn, Fe, Cu 등의산화물로구성되며, 차광막과표시전극이접촉할경우소성중에흑색안료의산화물이환원되면서흑색이변색되는문제가발생하지않도록상기유기감광레지스터 - 77 -
에는 NaNO 3, BaO 2 와같은산화제가첨가되어구성되는것을특징으로한다. 그림 2-36 한국등록특허공보제 0320328 호 11 : 전면측유리기판, 41 : 투명전극, 42 : 버스전극, 45 : 차광막 앞서기술한바와같이방전셀사이의갭으로외광이산란하는것을막기위하여암색의막을설치하는경우콘트라스트는향상되지만, 암색의막이가시광선을흡수함으로인하여전체휘도가저하하는문제가여전히남게된다. 일본등록특허공보제03625007호는방전셀사이의비발광영역에차광층을마련하는것과동시에상기차광층의배면에반사율이큰재질을갖는광흡수방지층을형성하여휘도저하를억제하면서표시콘트라스트를향상시키는것을특징으로한다. 상기차광층은흑색안료를첨가한페이스트를이용하여제작되었고, 상기광흡수방지층은백색안료를첨가한페이스트를이용하여제작되었다. 또한, 상기페이스트의바인더로서는에틸셀룰로오스, 아크릴수지등이사용되었으며, 상기페이스트에저융점유리분말을혼합할수있도록하였다. 한편, 상기차광층형성을위해제시된흑색안료는 Mn 2 O 2, Cr 2 O 3, CuO, FeO, Co 3 O 4, CoO 등이며, 광흡수방지층형성을위해제시된백색안료는 TiO 2, SiO 2, Al 2 O 3, BaTiO 3, BaSO 4, MgO, Y 2 O 3, Ta 2 O 5 등이있다. - 78 -
그림 2-37 일본등록특허공보제 03625007 호 1: 전면기판, 2: 투명전극, 17: 투명유전체층, 47: 차광층, 48: 광흡수방지층 4. 보호막구조 AC PDP의전극상에있는유전층을보호하고방전개시전압을낮추기위하여내스퍼터링성과이차전자방출계수가높은보호막재료에관한많은연구가있었지만, 현재 PDP에적용되고있는재료는 MgO( 산화마그네슘 ) 이다. MgO 막의구조적인변경의예로서는주로결정성장방향을제어하거나 MgO 막을다층으로구성하여방전개시전압을감소시키거나방전을안정화하고자하는출원이있어왔으나, 근래에는 MgO에다른물질을 doping함으로써방전개시시간을단축시키고자하는재료적인측면의연구및그에따른출원이주를이루고있다. (1) 단층보호막구조초기교류형가스방전디바이스에서는전극상에유전체층을형성하고방전공간에서발생한전하를유전층에축적하여방전을유지하는구성이지만, 유전체층을매개로하는방전의경우동작전압이높은문제를안고있었다. 미국등록특허공보제03863089호에는유전체층상에연속적혹은불연속적으로이차전자방출계수가높은산화마그네슘막을코팅하여방전을 - 79 -
행함으로써동작전압을감소시킨가스방전디스플레이에관해기술되어있고, 상기특허의출원이후 PDP의유전체층상에산화마그네슘막을형성하는방법및산화마그네슘막의특성을향상시키고자하는연구와함께산화마그네슘을대체할보호막재료에대한연구가활발히진행되어왔다. 초기에유전체층상에산화마그네슘막을형성하는방법으로, E-beam 증착, 스퍼터링및 CVD 등의증착방법들이제시되어왔고, 그중생산성측면에서가장장점을지니고있는 E-beam 증착법이 PDP 제작업체들사이에서주로이용되어왔다. 그러나 E-beam 증착법에의해증착된산화마그네슘막의경우탄소화합물이나수산기등의불순물흡착에의해방전특성의경시변화가현저하고수명이저하되는문제점이발견되었다. 일본등록특허공보제03149249호에서는진공증착시산화마그네슘막에수산기등의불순물이흡착하는문제를해결하기위하여산소분위기속에서산화마그네슘을증발시키는진공증착법을제안하였고, 상기와같은분위기하에서형성된산화마그네슘막은유전체층상에 <111> 결정성장방향을가짐으로써표시의안정화와장수명화를도모할수있는것으로보고되었다. 그림 2-38 일본등록특허공보제 03149249 호 15: 유전체층, 14: 전극, 2:E-beam 증착장치, 50: 산소가스봄베 16a: 산화마그네슘, 43: 자속발생부, 42: 필라멘트, 51:Mass flow controller - 80 -
PDP가점차고화질, 고정세화되어가면서주사라인수가많아지는고화질화면을실현하기위해서는 1개의셀에소비되는어드레싱시간이단축될수밖에없다. 그러나, 기존의보호층의경우어드레싱시간이단축되면 2차전자방출량이저하하여어드레싱방전불량에의한점등불량이발생하는문제가야기되기때문에보다 2차전자방출량을증가시킬수있는보호막이요구되었다. 일본등록특허공보제03442059호에서는기둥모양의전자방출성박막형성시증착재료가기판에대해서입사하는각도를 30~80도범위로기울임으로인하여기둥모양의박막결정정상부가평탄면을이루되상기평탄면은상기박막을포함하는기판면에대하여경사지게형성함으로써 <100> 및 <211> 등의결정성장방향을가지는전자방출성박막을형성한결과종래의산화마그네슘막에비해 2차전자방출량이증대되는것을보고하고있다. 그림 2-39 일본등록특허공보제 03442059 호 31, 41 : 박막의기둥모양결정, 42 : 박막단면, 32 : 평탄면, 33 : 박막표면 51 : 챔버. 52 : 타겟, 53 : 전면유리기판, 54 : 유전체층 이상과같이산화마그네슘막의결정성장방향을제어함으로써 2차전자방출량이변화된다고하는많은연구결과가발표되었지만, 연구자들 - 81 -
마다갖는각각의증착조건과증착환경에따라다소상이한결과를발표하기도하여결정성장방향과산화마그네슘막특성과의관계가명확하게밝혀지지는못하였다. 그러나, 일반적으로산화마그네슘막의결정성장방향이 <111> 배향을가질경우에는방전전압은저하하지만내스퍼트링성이충분하지않으며, 산화마그네슘막의결정성장방향이 <220> 배향을가질경우에는내스퍼트링성은우수하나방전전압을저하시키는특성은충분하지않은것으로인정되어왔다. 미국등록특허공보제06744201호에서는기판을 200 정도로가열하고산소와수소가스비율을약 10:3 정도로혼합하여약 0.1Pa 정도주입하면서 E-beam 증착법으로 MgO를증착하여결정성장방향이 <220> 및 <200> 배향의 MgO를형성함으로써내스퍼터링성이우수하고방전전압이낮은플라즈마정보표시소자를제공할수있는것으로보고하고있다. (2) 다층보호막구조종래의산화마그네슘의단일층으로형성된보호막구조에서는 sealing 등의열처리공정에의하여보호막에크랙이발생하는등열적및구조적으로안정하지못한문제점이발생하였다. 미국등록특허공보제03976823호에서는 IIA그룹, Al, Si, Ti, Zr, Hf 중적어도하나혹은혼합물로된제1층과상기물질중상기제1층과는다른물질로구성되는제2층과산화마그네슘등과같이전자를방출하고이온충격을막을수있는제3층의다층막을구비함으로써열적및구조적으로안정하고화학적으로비활성의보호막을형성하는기술에관해제안하였고, 상기출원이후 MgO 막을포함하는다층막에관한활발한연구가진행되었지만, 큰결실을맺지는못하였다. - 82 -
그림 2-40 미국등록특허공보제 03976823 호 10, 11: 유전체필름, 101, 111: 제1층, 102, 112: 제2층, 103, 113: 제3층 12: 방전가스, 13, 14: 매트릭스전극, 16, 17: 기판 또한, 고화질및고정세화 PDP 제작을위해고속어드레싱이가능하도록방전지연등의방전특성이보다개선되고, 휘도를증가시킬수있는보호막이요구됨에따라다층보호막에관한연구도상기방전지연저감과휘도향상에초점을맞추어진행되었다. 그결과일본공개특허공보제18059786호에서는방전가스중의 Xe 가스로부터방사되는자외선에의해서 230~250nm의피크파장을가지는자외선을방사하고, 전자선에의해여기되는것에의해 200~300nm 내에서피크를갖는 CL(Cathode Luminescence) 을방출하는산화마그네슘결정체를포함한산화마그네슘층을기상증착법에의해서형성하여방전지연을개선하고휘도를향상시키는 PDP를제안하였다. 상기방전가스중의 Xe 가스로부터방사되는자외선은 BAM계의청색형광체를휘도및효율을향상시키는것으로알려져있다. 한편, 상기산화마그네슘결정체를포함한산화마그네슘층이전자선의여기에의해 200~300nm 파장내에피크를갖는 CL을방출하는것은산화마그네슘단결정체가상기파장에대응하는에너지준위를가지며, 그에너지준위에의해리셋방전시발생하는전자를장기간트랩할수있고, 이전자가어드레스전압의인가에의해방출됨으로써방전개시에필요한초기전자가신속하고충분히얻어져방전개시가빨라지는것으로추정하고있다. - 83 -
그림 2-41 일본공개특허공보제 18059786 호 1 : 전면유리기판, 3 : 유전체층, P : 기상법산화마그네슘단결정체 5A : 층착산화마그네슘층, 5 : 결정산화마그네슘층 5. 형광막구조 AC PDP의형광막에대한출원도 PDP에서방출되는진공자외선을흡수하여가시광변환효율을최대화하고, 방전개시전압을감소시키며잔광시간을줄이고자하는형광체재료의개선에관한출원이주를이루어왔었다. PDP 형광막구조적인측면의출원은주로격벽에도포되는형광체면적을최대화하는출원과형광막상혹은격벽과형광막사이에보호막및반사막을추가하는구성의출원이대표적이다. (1) 형광막배치구조초기투과형 PDP 구조에서는형광체막이도포된커버기판측이화상관찰면이기때문에형광체막에의한발광이형광체막을투과할때에휘도가감소함으로발광효율이저하하고형광체막의두께가불균일함으로인한휘도얼룩이생기는문제가발생하였다. 일본등록특허공보제02917279호에서는상기투과형 PDP 구조의문제를해결하기위하여방전유지전극이배치된기판을화상관찰면으로하여상기기판을투명기판으로형성하고, 상기유지전극을투명도전막으로형성한후상기기판의대향측기판면에형광체막을도포함으로써형광체막에의한발광이형광체막을투과하지않도록하여휘도및발광 - 84 -
효율을향상시키는반사형 PDP 구조를제안하였다. 상기출원이후 PDP 구조는반사형으로바뀌었고, 제품화에까지적용되어왔다. 그림 2-42 일본등록특허공보제 02917279 호 23 : 형광체막, 21 : 커버용기판, 22 : 셀층, 33 : 후막금속재료층 312, 313, 321, 322 : 투명도전막 그러나, 초기반사형 PDP 구조에서는기판의표면상에만형광체가형성되어있어시야각이줄어들고휘도가저하되는문제점이있었다. 이를해결하기위하여일본등록특허공보제03270511호에서는 stripe type 격벽의측면에도형광체를형성함으로써시야각이넓고고휘도의표시화면을실현할수있는 PDP를제안하였다. 그림 2-43 일본등록특허공보제 03270511 호 11, 21 : 유리기판 29, 292 : 격벽 28 : 형광체 - 85 -
Stripe type 격벽뿐만아니라격자형 (Well type) 격벽구조에서도초기투과형구조의문제점을해결하기위하여일본등록특허공보제 02964512호에서는표시면측에위치하는기판상에행전극을설치하고배면측에위치하는기판상에열전극및 well type 격벽을설치하여상기 well type 격벽의거의전체높이에걸치는양쪽모든측면상에형광체막을설치하여휘도및효율을향상시킨 PDP 형광막구조를제안하였다. 그림 2-44 일본등록특허공보제 02964512 호 1: 제1 절연기판, 2: 제2 절연기판, 3: 행전극, 4, 14: 열전극 6: 격벽, 17: 형광체, 8: 절연체, 9: 보호막, 10: 화소, 12: 반사체 (2) 보호막및반사막추가구조앞서 well type 격벽측면에형광막을설치하여휘도및효율을향상시키는반사형 PDP를제안한일본등록특허공보제02964512호에서는 well type 격벽측면상에형광체막을설치하는것과함께격벽과형광막사이에 Al, Cr, Ti 등의가시광을반사시키는금속막을형성함으로써형광막에서발생한가시광이전면기판측으로만방출되록하여휘도및효율을향상시키는가시광반사층을구비한 PDP를제안하였다. 종래에는형광체가이온충격에의해서열화되는것을막기위해형광체상에 MgO막을형성하기도하였다. 그러나 MgO막은 147nm의자외 - 86 -
선흡수손실이높기때문에형광체를효율적으로여기시키기위해서는 MgO막을얇게형성할필요가있었고, 그경우이온충격에대한보호및방전개시전압저감의효과가저하하는문제가발생하였다. 일본등록특허공보제03220514호에서는형광체를이온충격으로부터보호하고방전개시전압을감소시키기위하여형광체상에알카리금속또는알카리토금속의불화물 (MgF 2 ) 로구성되는제1 유전막을형성하고상기형광체의자외선흡수손실이낮은제1 유전막상부에 MgO 제2 유전막을형성함으로써 MgO 막을얇게형성하더라도 2차전자방출의저하를보완하고, 이온충격에강하며발광효율을향상시킬수있는 PDP 구조를제안하였다. 그림 2-45 일본등록특허공보제 03220514 호 3b : 배면유리 2B : 하부전극 7a, 7b : 유전체막 8 : 격벽 6 : 형광체층 10 : MgF 2 막 5a, 5b : MgO막 PDP에서형광체층은스크린인쇄법에의해형성되어왔었지만, 스크린인쇄법으로형광체층을형성하는경우형광체층내부에공동 (cavity) 이생기고형광층표면에요철이발생하여자외선여기효율이감소함으로써휘도및효율이감소하는문제점을안고있었다. 일본등록특허공보제03442973호에서는형광체층공동에의한문제를해결하기위하여구상의형광체입자를제작하여형광층을형성하고, 형 - 87 -
광층과격벽사이에 MgO, α-al 2 O 3, MgAl 2 O 4, 3Al 2 O 3 5SiO 2 등으로구성되는가시광선반사물질이나, 2MgO 5SiO 2, MgF 2, LiF, CaF 2, YF 3, Ir 등으로구성되는자외선반사물질을형성함으로써휘도를향상시키고형광체의형광수명을줄임으로써잔상을방지할수있는 PDP를제안하였다. 그림 2-46 일본등록특허공보제 03442973 호 2 : 배면기판 4 : 어드레스전극 12 : 자외선반사층 5 : 형광체층 3 : 격벽 6. 가스 Mono color AC PDP의 prototype에서는 Ne 가스만을사용하였었지만, 형광체를구비한 color PDP에 Ne 가스만을주입할경우 Ne 가스자체에서방출되는오렌지색가시광으로인해색순도가저하되는문제가발생하였다. 이에색순도를향상시키기위하여 Ne가스에 He 가스를첨가하는출원이있었고, 아울러 color PDP의방전개시전압을감소시킬목적으로 Ne 가스에대한 penning 가스로서 Ar 가스를첨가하는출원도있었다. 색순도뿐만아니라 color AC PDP의발광효율을향상시키기위해서는장파장의자외선을낼수있는가스가요구되었고, 이로인해 Xe가스를혼합하게되었다. 초기에는 Xe 가스를포함하는 2원가스에대한출원에서발광효율상승을목적으로각종희가스를포함하는 3원및 4원 - 88 -
가스에대한출원이이어졌고, 실제제품에는 Ne+Xe 및 Ne+Xe+He 등의 2원및 3원가스가주로사용되어왔으며, 이들가스중 Xe의함량을증가시켜효율을향상시키는기술이적용되고있다. 그러나, Xe의첨가량이증가할수록방전개시전압이상승하는문제가여전히과제로남아있는상태이고, 최근에는이에대한해결책으로수소가스등을첨가하는가스혼합물에대한기술도출원되고있다. (1) 희가스조성 PDP 방전셀내에단순히 Ne이나 Ar과같은희가스만을주입할경우방전시방전셀마다불균일한방전특성을나타내는문제점이발생하여미국등록특허공보제04723093호에서는 Ne 가스에 0.001~1.0% 의 Xe 가스를주입하고방전의동특성및정특성을평가한결과방전셀간의방전이균일하게발생하게되는것을보고하고있다. 그러나, 종래의 Ne 가스에소량의 Xe 가스를혼합하여 PDP 방전에이용할경우 Ne 가스에의하여부글로우영역에서발생하는오렌지색의가시광선으로인하여색순도가저하하는문제가발생하였다. 이에일본공개특허공보제03088237호에서는부글로우영역에 Ne의오렌지광을차폐하기위하여스페이서 ( 가시광차폐층 ) 를형성하고, Ne+Xe 혼합가스에 Ar, He, Kr 등의희가스를혼합함으로써색순도를향상시킨구성을제안하였다. 비록상기일본공개특허공보제03088237 호의발명은면방전형 AC PDP는아닌대향방전형 DC PDP의경우였지만, 상기출원이후에면방전형 AC PDP에서도 Ne+Xe 혼합가스에 Ar, He, Kr 등의희가스를혼합한가스구성에대한연구결과가다수발표되었다. (He, Ne)+Xe 3원가스나 Ne+Xe 2원가스의경우 Ne의오렌지색발광에의해색재현성이좁고, 가스방전표시장치의휘도및수명이충분하지않은문제점이여전히남겨져있었다. - 89 -
일본등록특허공보제02930007호에서는 He, Ne, Ar, Xe의네성분의가스를혼합하되, 상기혼합가스중 Xe의혼합비는 1.5% 에서 10% 로하고, He과 Ne의혼합비를 3:7에서 7:3으로하고, 아르곤의혼합비를 5% 에서 10% 정도로하여휘도및수명을개선하고색현성을향상시킨사례를기술하고있다. 그러나앞서기술한바와같이 PDP에 3원혹은 4원의혼합가스를주입할경우가스의방전메카니즘이해및제어가용이하지않은문제점이있기때문에현재상용화에는적용되고있지않다. 그림 2-47 일본등록특허공보제 02930007 호 He, Ne, Xe, Ar 4원가스중 Ar 농도에따른각 He, Ne 혼합비에서의발광효율 종래의 He+Xe, Ne+Xe계의가스조성에서는전기에너지의약 2% 정도만이자외선방사에이용되고, 최종적으로는약 0.2% 정도만이가시광선에이용되기때문에휘도및효율이낮은문제점이있기때문에자외선방사및가시광변환효율을보다증대시켜야만했다. 일본등록특허공보제03339554호에서는 Xe의함유량을종래보다큰 10% 이상 100% 미만의범위로설정하고, 방전가스의압력도 500~700Torr로증가시킬경우 Xe의분자선인 173nm 파장의자외선방사비율이증가하고이로인해형광체로의가시광선변환효율또한증가됨으로써휘도및효율이증가하는것을발견하고, high percentage Xe을이용한 PDP 및그제조방법을제안하였다. - 90 -
그림 2-48 일본등록특허공보제 03339554 호 He+Xe(7%) 2원가스에압력을변화시킨경우방전에의해서방사되는진공자외선파장의변화추이 (2) 희가스외첨가가스 PDP의전면기판과배면기판을 sealing한상태에서배기가불충분한경우에는방전공간내에산소가잔류하므로잔류하는산소에의해서방전발생시형광체의표면이열적또는이온의충격에의해열화하는문제점이있었다. 상기잔류산소에의한형광체열화의문제를해결하기위하여일본공개특허공보제09092161호에서는수소가스나일산화탄소가스등의환원성가스를방전공간내에미량첨가하여방전공간내의잔류산소가스를환원해제거함으로써형광체가산화해열화하는것을방지하는기술을제안하였다. 그림 2-49 일본공개특허공보제 09092161 호 본발명의실시예로서의가스조성율 - 91 -
상기와같이형광체열화방지의측면외에도 PDP의발광효율을향상및방전전압저감을위해서도희가스외의첨가가스혼합에관해많은연구가행해져왔다. 일본공개특허공보제12294145호에서는 Ne+Xe 혼합가스에 D 2 ( 듀트리움 ) 을첨가할경우방전전압이감소하는것을발견하고, Ne+Xe 혼합가스의봉입압력을 760~4000torr로설정함으로써다량의 173nm의분자선방출을유도하여소량의 Xe 혼합가스만으로도발광효율을향상시키는한편, 봉입압력이증가할경우방전전압도함께상승하는문제를해결하기위해 Ne+Xe 혼합가스에 D 2 을첨가하여방전전압을감소시킨가스방전패널및가스발광디바이스를제안하였다. 혼합가스중 Xe 가스의분압을높이고, 격자형상의격벽을형성함으로써형광체도포면적을확대할경우 PDP 휘도및효율을향상시킬수있다는사실이널리알려졌지만, 상기격자형상의격벽구조및 Xe 분압이높은가스중에서는동작전압이상승하여어드레스방전이불안정하게되어고품질의화상을얻을수없다는사실도함께줄곧제기되어왔다. 그림 2-50 일본공개특허공보제 12294145 호 종래 2원가스와본발명의실시예를적용한경우가스압력에따른방전개시전압 - 92 -
한국공개특허공보제2006-28818호에서는 He, Ne, Ar 중에서선택되는적어도하나와 5% 이상의농도를가지는 Xe 가스에일반적으로전자온도를저하시키는것으로알려진수소를혼합함으로써동작전압을낮추고휘도를향상시킨결과를보고하고있다. 그림 2-51 한국공개특허공보제 2006-28818 호 Ne+Xe+H 2 (500Torr) 혼합가스중 Xe 및 H 2 의농도에따른휘도변화 - 93 -
제 3 장 PDP 제조공정 AC형 PDP는 그림 3-1 AC형 PDP 단면구조, 그림 3-2 AC형 PDP 패널구조 와같이전면기판에는한쌍의유지전극 (Sustain Electrode), 전극보호와커패시터역할을갖는유전층 (Dielectric Layer) 과보호층 (Protection Layer) 이형성되고, 배면기판에는유지전극과수직방향으로배치되는데이터전극 (Address Electrode), 광반사를위한백색유전막 (Dielectric Layer), 방전공간을분할하는격벽 (Barrier Rib) 및형광체 (Phosphor) 가형성되고, 이 2매의기판을봉입재를이용하여접합시킨후내부에방전기체를주입시켜형성한다. 이장에서는 < 그림 3> 과같은대표적인 AC형 PDP의공정중에서전면기판위에형성되는투명전극, 버스전극, 블랙매트릭스, 투명유전체, MgO 보호막, 그리고배면기판위에형성되는데이터전극, 백색유전체, 격벽, 형광체의형성공정에대해알아본다. 그림 3-1 AC PDP의단면구조 Visible Light Dielectric Layer Protection Layer(MgO) Front Glass Substrate Barrier Rib Phosphor(R,G,B) UV Plasma Visible Light Bus Electrode Sustain Electrode Address Electrode Dielectric Layer Back Glass Substrate Under Layer - 94 -
그림 3-2 AC PDP 패널구조 그림 3-3 AC PDP 공정 - 95 -
1. 전면기판제조공정 전면기판제조공정은투명전극형성, 버스전극형성, 블랙매트릭스형성, 투명유전체형성, 및 MgO 보호막형성순서로되어있다. (1) 유리기판유리기판은 XGA 이상의고정세패널에서는고왜점유리가많이사용되고있지만, 40" 형 VGA급이면소다라임유리로도정밀도가충분히확보될수있고, 또한경쟁소자와의가격경쟁력측면에서현재까지도값싼소다라임유리를사용하고자하는노력이진행중이다. (2) 투명전극의형성 LCD에널리사용되고있는투명전극은 ITO(Indium Tin Oxide) 라고부르는미량의산화주석 (SnO 2 ) 과산화인듐 (In 2 O 3 ) 으로구성된막과 NESA 라불리는 SnO 2 막이있는데 Glass기판위에스퍼터법과화학증착법등으로성막된다. ITO막은우수한도전성과높은투과도를가지며화학적 열적안정성을가지고있어여러표시소자에널리이용되고있다. 그러나 NESA막은 ITO막보다화학적 열적안정성은좋지만저항값이크고패턴하기에어려운점이있다. 통상적으로 ITO막은각방전셀의형상등을고려하여패턴형상으로가공되는데, DFR부착 노광 현상 에칭 스트립 건조등의공정단계를거쳐원하는형상의 ITO 패턴이형성된다. 그러나최근에는생산성향상을목적으로종래에패턴검사 불량셀제거목적으로사용하였던레이저광을이용한레이저패터닝 (ILP : ITO Laser Patterning) 법을적용한사례도있다. 일본공개특허공보제1986-220240호에서는종래기술로서레지스트막을이용하여에칭하는방법으로 ITO 베티막을패터닝하는방법을기재하고있다. 이러한종래기술은에칭과정에서발생하는사이드에칭이발생할가능성이높아이를해결하고자일반적인에칭이아닌전해에칭법을제안하고있다. 투명전극은 PDP뿐만아니라 LCD 등여러표시장치에서널리알려진기술이므로, 이출원으로부터투명전극의형성방법으로서에칭법이이미사용하고있었음을알수있다. - 96 -
그림 3-4 일본공개특허공보제 1986-220250 호 (2 : ITO 층, 3 : 포토레지스트층, 11 : 글래스기판, 13 : 포토레지스트층 ) 일본공개특허공보제2000-357453호에서는종래의표시전극등의제조공정에걸리는시간및공정수를줄이기위하여종래의포토리소그래피 (Photo-Lithography) 법을사용하지않고, 전면기판의유리면에베타막으로피복된표시전극재료를부분적으로레이저가공하여표시전극을패터닝하는방법 (Direct Laser Patterning법, 이하 DLP법 ) 을제안하고있다. Laser를이용하여패터닝하는방법은종래에도알려져온방법으로패턴검사후불량셀중휘점이나명점이발생하는방전셀을암점 (Dead-Cell) 로만들기위해불량셀의표시전극을없애는데주로이용되었다. 그러나 DLP법은종래방법에서는필수적으로사용되어야하는 DFR(Dry Film Resist) 또는 PR 막을사용하지도않고, 별도의습식공정및건조공정을거치지않게되어재료비절감및단위공정당공정시간 - 97 -
( 소위 Lead Time이라함.) 을감축시킴으로써생산성향상및가격경쟁력확보측면에서상당한이점이있다. 그림 3-5 일본공개특허공보제 2000-357453 호 도 3 : 투명전도막 50을전면패널유리상에피막한후 (a) 유리의 x방향양단부의투명도전막을제거한고 (b), 투명전극부 221, 231을형성한모습 (c) 이고, 금속도전막 60 을전면형성한후 (d) 금속전극부 222, 232를형성한 (e) 도면도 5 : 투명전극부 221, 231 등의제작에걸리는레이저가공프로세스를나타내는도면 한편투명전극은저항값이크기때문에저항값를낮추기위해서불투명한버스전극을추가로형성하여야한다. 투명전극의패턴형상은고정밀 - 98 -
도를필요로하며이것이불충분한경우발광시의휘도가불균일한현상이발생하기도한다. 일반적으로투명전극에요구되는특성으로서는 1고투과율 2낮은저항 3막두께의균일성 4버스전극과의매칭성 5내열성 6내약품성 7패턴성등이있다. (3) 버스전극의형성버스전극은투명전극의큰저항을보상하기위해형성하는데, 스크린인쇄법으로직접패터닝하거나감광성페이스트에의한포토-페이스트법, Cr-Cu-Cr와같은포토에칭법등으로패턴을형성할수있다. 스크린인쇄법은제조공정과재료의사용효율면에서다른방식보다우수하지만정밀도가스크린마스트에의해좌우되고, 60 이상의대형 PDP에서는스크린판이늘어남과수축이발생하기쉽고, 또한메쉬 (Mesh) 판을사용하기때문에해상도에도한계가있다. 따라서, 최근에는대부분의회사들이감광성페이스트를이용한포토-페이스트법을사용하고있으며, 이와더불어공정단축을위해블랙매트릭스와버스전극을동시에형성하는공정등을적용한사례도있다. 또한, 대부분의회사에서사용하는버스전극은재료비가고가인관계로, 전극패턴이형성될부분에만재료가사용되는전사법등을적용하고자하는연구가활발히진행중이다. 일본공개특허공보제1994-103902호에서는증착법등으로형성된금속전극이산화되거나변질되는것을방지하기위하여유지전극및주사전극의타단을포함한영역에인쇄 소성된후막전극을형성하는기술을기재하고있다. 이특허는그자체로는기술적중요성을부여하기는어렵지만종래부터사용되어온인쇄법에의한전극패턴형성방법의기본취지를기재하고있다. 일본공개특허공보제1997-055167호에서는종래의대표적인금속전극인 Cr/Cu/Cr으로적층된 3층구조를사용할경우스퍼터링과같은박막 - 99 -
진공공정을사용하게되어공정이복잡하고오래걸리는단점을해결하고자 Ag, Au, Al 등의금속분체및필요한경우흑색안료를포함하는도체를페이스트또는시트 (sheet) 상에형성하는 PDP 전극및그형성방법을제안하고있다. 이특허는감광성재료를이용함으로써공정이간단해지는장점이있으며, 페이스트뿐만아니라시트 (sheet) 상에전극을형성할수있기에단위공정시간이크게줄어들수있다는장점이있다. 그림 3-6 일본공개특허공보제1994-103902호 1 : 배면판, 2 : 인쇄소성후막전극, 3 : 도전성중개전극, 4 : 금속막막전극 5 : 프릿도포부 그림 3-7 일본공개특허공보제 1997-055167 호 31 : 투명도전성막, 32 : 금속막, 33 : 레지스트패턴 5 : 버스전극 34 : 레지스트패턴, 3 : 투명유지전극, 7 : 유전체 - 100 -
그러나, 위와같은감광성재료는일단도전성분체자체가귀금속이어서고가이며, 패턴형성전에베타막으로형성되기때문에재료의소모가크다는단점이있으므로이를해결하고자잉크젯법등의다양한방법이시도되었고, 그결과현재가장상용화에근접한방법이전사법의일종인오프셋법이다. 일본공개특허공보제2000-158620호에서는 FED, SED 등평판표시장치의기판상에형성되는전극의형성장치및방법으로잉크를요판상에피트한후잉크를요판표면의철부에충전하고, 다른부분은닥터블레이드로잉크를제거하고블랭킷을요판표면에회전접촉하여요판의펄부에충전된잉크를수리한후이를유리기판상에전이시키는방법및장치를기재하고있다. 이특허에서는표시장치로서 PDP가아닌전계방출소자를기재하고있으나, 이특허에기재된전극의형성방법이 PDP로적용할수있고, 이는그이후에일본공개특허공보제 2002-208354호 PDP에서의오프셋인쇄법에관한특허가이특허에의해거절결정된것으로보아간접적으로도증명이된것으로보인다. 그림 3-8 일본공개특허공보제1994-103902호 < 인쇄장치의일부표면도 > (113 : 블랭킷, 104 : 잉크롤러, 105 : 요판, 106 : 피인쇄체 ) - 101 -
< 인쇄공정의측면도 > < 인쇄장치의부분개념도 > 지금까지언급된특허는주로금속재질의전극을단위층으로형성되는기술만을언급하였다. 그러나, 일부업체들에서는버스전극과블랙매트릭스를동시에형성시키는기술을적용하고있다. 이기술은기본적으로버스전극이명암비향상을위해 Black과 White의다층구조로형성될때, Black전극과블랙매트릭스가동일또는유사한높이를가지게되는점에서착안하고있다. 초창기의 PDP에서는블랙매트릭스가하부유전체와상부유전체사이에존재하였으며, Black전극은투명전극과접하게위치하고있어서서로다른높이를가지는위치에서존재하였다. 또, Black전극의경우투명전극과버스전극사이에서서로접하고있으므로전기전도도가우수해야하나, 블랙매트릭스의경우전기전도도를가질필요가없어절연재질로사용되었기에재료측면에서도서로다른특성이요구되었다. 따라서, 동일한높이에위치하고동일한재료로서로다른구성요소를동시에형성하는것이결과적으로는단순하다고할수는있으나, 그이력을알면결코용이하다고할수는없다. 상기기술을보다자세히설명하면다음과같다. 먼저패터닝된투명전 - 102 -
극위에버스전극과블랙매트릭스형성용페이스트를인쇄및건조한다. 그후블랙매트릭스에대응되는부분을선택적으로 1차노광하고, 그위에금속전극을베타막으로인쇄 건조또는라미네이트한다. 그후 2차노광으로서버스전극과금속전극층을동시에노광한후현상 소성하여버스전극층과블랙매트릭스층을형성한다. 물론상기의각단계들의시계열적순서를바꾸거나이를병합할수는있으나, 이경우공정의변화로인한패널의구조가변화하므로신중히고려해야할것이다. 그림 3-9 버스전극과블랙매트릭스의동시형성공정 버스전극은투명전극과의위치정밀도가요구되며, 단선또는단락이발생하면수율을현저하게낮아지기때문에이들의제어및검사기술이특히중요하다. 또후막재를사용하는경우유리기판의열처리에따른치수변화가크기때문에이를제어할수있는공정이필요하다. 일반적으로버스전극에요구되는특성으로서는 1낮은저항 2투명전극과의정합성 - 103 -
3 선폭균일성 4 유전체와의정합성 5 내열성 6 패턴성등이있다. (4) 블랙매트릭스의형성블랙매트릭스는불필요한방전영역을광학적으로차폐하고, 콘트라스트를향상시키는역할을한다. 따라서, 요구특성은낮은투과율과반사율을가져야하는데, 여기에는글라스프릿 (Glass Frit) 에첨가되는안료등에의해서도결정되지만막두께도중요한요소이다. 막두께가두꺼운경우에는그위에형성되는유전체표면의표면조도에영향을미쳐하판과의밀착성에영향을주고방전특성의열화 (Crosstalk) 를초래하게된다. 블랙매트릭스는버스전극과투명전극사이의위치정밀도를요구하지는않기때문에스크린인쇄법으로형성하는경우가많지만, 버스전극과의위치정밀도가현저히악화되면방전면의휘도불균일등의증상이나타나게된다. 따라서패널이고정세화일경우에는감광성포토재료를이용하게되며, 최근에는대부분의국내회사들이이를적용중에있다. (5) 투명유전체의형성투명유전체는방전영역전면에형성되기때문에현재로서는스크린인쇄법, 그린시트법, 코터법등에의해형성되는경우가대부분이다. 물론, PVD, CVD 등의증착방법을통해서도유전체를형성시킬수도있으나, 통상수십μm정도의두께를가지는단위층을상기에기재된방법이아닌증착을통해형성시키는것은느린증착속도로인해바람직하지않다. 투명유전체층은일반적으로위치정밀도가그다지문제시되지않지만, 막두께의제어와그균일성이요구된다. 방전시의절연내압을확보하기위해보통은다층형성을한다. 다층으로형성하면특정층에기포가발생하는등결함이생겨도방전시충분한절연성을갖도록하는것이가능하고, 그아래에형성된전극층과의정합성및막두께의균일성등을단층으로는만족시키기가어렵기때문이다. 따라서, 각각의층에 1버스전극과의소성시에반응을제어하고, 2 절연내압을높이고, 3 투과율과표면평탄성을올리도록다른특성의재료를사용하는것이요구된다. 그러나, - 104 -
최근에와서는공정단축을통한생산성향상과가격경쟁력확보를위해대부분의업체들이단층유전체층을개발하여양산품에적용시키고있다. 투명유전체의형성방법은대부분의업체들이인쇄 건조 인쇄 건조 소성등의단계를이용한인쇄법, 코터를이용한코터법, 그리고최근에와서는소성되지않은상태의그린시트를이용한공법등을활발히적용하고있다. 일본공개특허공보제1979-005377호및제1980-083128호는 AC형 PDP에서증착에의해형성된유전체층을보여주고있으며, 일본공개특허공보제1994-267424호에서는종래기술로방전유지전극을보호하는유전체층을인쇄법으로형성한다고기재하고있다. 상기특허들은그자체의기술적특징보다는종래기술이나상세한설명에서의출원당시의일반적인기술수준을알려주고있다. 이는 PDP의유전체및격벽형성방법들이기존의다른산업분야에서널리사용되었던증착법, 인쇄법등을그대로전용하기때문에종래기술들을이용한대부분의공정관련특허는존속기간이만료되어분쟁의소지가없어보인다. 일본공개특허공보제1997-102273호에서는종래의스크린인쇄법에의해복수회에걸쳐페이스트상조성물을도포하는경우작업성이떨어지고, 균일한막두께를형성하기곤란하며, 기포의잔류가발생하고, 스크린메시가유전체표면층에전사되는등의문제점을해결하고자유리분말을포함하는페이스트상조성물을롤코터등에의해가요성을갖는지지필름상에도포한후이를기판에직접전사하는그린시트법을기재하고있다. 일반적으로투과율과표면조도를개선하려면소성온도를높여야하지만, 이때는연화점이높은유리를사용해야하는데이는유리기판의변형및버스전극의특성의열화를고려해서적절한재료를선택하여야한다. 반면에연화점이낮은유리를사용하는것은그위에형성되는보호막 - 105 -
(MgO) 의크랙 (Crack) 을유발하기때문에이또한패널의신뢰성에문제를줄수있다. 결국투명유전체소성온도의상한은투명전극과버스전극의특성에의해제한되며, 하한온도는투명유전체형성후의공정 ( 보호막, 봉착, 배기등 ) 에견디는것이조건이다. (6) 보호막의형성보호막은통상적으로진공증착법에의한 MgO막에의해형성된다상기진공증착법은다양한형태의공법이검토되었으나현재까지는대부분의업체들이이빔 (E-Beam) 을이용한증착법을적용하고있으며, 주로 MgO 성분에임의의불순물 (Dopant) 를첨가함으로써방전특성향상시키려는연구가진행되어왔다. 그러나, 최근에이르러서는새로운구조또는새로운막성장방법을적용하여방전지연특성을향상시킨다는연구결과가보고되고실제로적용되고있다. 한편, 액상재료를이용하여스크린인쇄법이나스프레이코팅 (Spray Coating) 법등으로성막하는방법도검토되고있지만아직실용화단계에는이르지못하고있다. 미국특허등록공보제03,976,823호에서는보호층의구성및그형성방법으로서진공증착, CVD, 습식스프레이, 건식스프레이, E-beam 증착법, 플라즈마용사, 아크스프레이및 / 또는증착, 스퍼터링방법등을기재하고있다. 상기보호막방법중에증착속도등의장점으로인해현재까지는대부분의업체들이이빔 (E-Beam) 증착법또는이와유사한이온플레이팅 (Ion Plating) 법을적용하고있다. 그이후에많은업체들이기존의 E-Beam 증착법을개량하고자다양한개량발명을시도하였으며, 그러한노력중하나가일본공개특허공보제1981-038729호에기재되어있다. 상기특허에서는종래의 PDP가작동전압특성이불안정하고단시간수명시험에서동작마진이작은점을극복하고패널수명을향상시키고자투명유전체층위에산화마그네슘표면층을형성할때, 산소가스를도입한이빔 (E-Beam) 증착장치를이용하여유전체층위에 MgO층을증착하는제조방법을기재하고있다 - 106 -
이와는달리, 일본공개특허공보제1992-274127호에서는 MgO 보호막형성시기존의방법으로는챔버내의산소분압을일정하게유지하는것이어려워보호막의조성및결정성장방향등에있어서불균일이발생하여결과적으로패널의방전특성이불균일하고표시동작이불안정하며수명이짧아지는문제점이발생하였다. 이특허에서는이를개선하기위하여 Mg 금속을증발시키면서막형성면에대해서산소이온빔을조사하는이온어시스트증착법에따라보호막을형성하는기술을기재하고있다. 그림 3-10 일본공개특허공보제1981-032729호 도 1 : 패널구성기판의예시도 (2, 12 : 전극, 3, 13 : 유전체 ) 도 2 : 가속라이프타임의관계 ( 종래예 a, b보다본실시예 c, d가동작마진이확대됨 ) - 107 -
그림 3-11 일본공개특허공보제 1992-274127 호 (15 : 막형성면, 21a : 금속 Mg, 21b : 산소가스, 1B : 이온빔 ) 최근에들어서는기존의보호막형성방법과는다른보호막및그형성방법이개발되었다. 대표적으로한국공개특허공보제2006-056869호는방전특성을보다향상시킬수있도록하기위하여전자선에의해여기되어 200-300nm파장영역내에서피크를갖는캐소드루미네센스발광을행하는산화마그네슘결정체분말로부터소정의입자직경이상의결정체의비율이소정치이상인입도분포를갖는결정체분말을분급하는공정과, 이분체를함유하는결정산화마그네슘층을통상의증착법에의해형성되는박막산화마그네슘의배면상에스프레이법, 정전도포법, 또는산화마그네슘결정체의분말을함유하는페이스트를스크린인쇄법, 오프셋법, 디스펜서법, 잉크젯법, 롤코터법등의방법에의해형성하는공정이기재되어있다. 그림 3-12 한국공개특허공보제2006-056869호 (1 : 전면유리기판, 3 : 유전체층, 4 : 박막산화마그네슘층, 5 : MgO 층 ) - 108 -
일반적으로보호막에요구되는특성은 1내스퍼터링성, 22차전자방출특성이우수할것, 3응답속도가빠를것, 4투과도가높고균일할것등이다. 이러한특성외에도특히보호막은방전안정성과밀접한관계가있으나, 아직까지막질과의상관관계는정확하게설명되지는않고있는실정이다. 상기에기재된내용들을종합하여아래의 < 표 4-1 전면기판공정과형성방법 > 에전면기판공정과형성방법을요약하였다. 표 3-1 전면기판공정과형성방법 공정재료형성방법 투명전극버스전극블랙매트릭스투명유전체보호막 ITO SnO 2 Ag Cr/Cu/Cr Cr/Al/Cr 저융점유리안료 ( 흑색 ) 저융점유리 MgO 스퍼터에의한포토에칭법스크린인쇄법, 감광성페이스트법스퍼터에의한포토에칭법그린시트법, 오프셋법스크린인쇄법감광성페이스트스크린인쇄법코터 (Coater) 라미네이터에의한그린시트법이빔 (E-beam) 증착법스퍼터법이온플레이팅 (Ion-Plating) 법스크린인쇄법 2. 배면기판제조공정 배면기판의제조공정은 1 하지막형성, 2 데이터전극형성, 3 백색유전체 (White Back) 형성, 4 격벽형성, 5 형광체형성순서로구성된다. - 109 -
(1) 하지막의형성하지막은일반적으로글래스종류에따라서사용유무가결정되어진다. 배면기판의전극형성시글래스의알카리성분과반응을억제할목적으로사용되거나, 양호한전극패턴을얻을목적으로형성한다. 막형성은인쇄에의한방법이주류를이루고있지만박막 (SiO2) 도검토되고있다. 그러나, 현재는대부분의업체들이생산성및가격경쟁력측면을고려하여적용하고있지않다. (2) 데이터전극의형성 데이터전극의형성방법으로서는다음과같은방법이이용된다. 1 진공성막하여포토리소그래피. 에의해패턴닝하는방법 ( 포토에칭법 ) 2 감광성도체페이스트 (Ag 등 ) 를코팅하여포토리소그래피로패터닝하는방법 ( 감광성페이스트법 ) 3 전극형성부분을패터닝한레지스트막에전극을코팅한후레지스트막을제거하는방법 ( 리프트-오프법 ) 4 후막의도체페이스트를직접인쇄하는방법 ( 스크린인쇄법 ) 5 잉크젯을이용하여도체페이스트를분사하는방법 ( 잉크젯방법 ) 6 몰드를이용하여패터닝할부분에만전극재료를충진한후이를전사하는방법 ( 오프셋법 ) 가장값싸게형성할수있는방법은 4 스크린인쇄법이지만사용량에따른스크린판의불균일로인해패턴변형및패턴반복성등의문제때문에 XGA급이상의고정세패턴형성이곤란하여고정세패널을형성하는경우는 1 포토에칭, 2 감광성페이스트법, 3 리프트-오프법등의방법이많이이용되고있다. 또한, 현재까지 5 잉크젯방법을실제제품에적용한사례는보고되고있지않으며, 6 오프셋법은현재일부업체가양산준비중에있다. 각각의형성방법에대한구체적인특허자료는통상대부분의업체들이데이터전극과버스전극이동일한재료및공정을사용하므로위에서기재한버스전극의자료와같다. - 110 -
(3) 백색유전체 (White Back) 의형성백색유전체에요구되는특성은유전특성외에데이터전극보호층으로서의역할과방전시발광하는빛을배면기판에서후방으로통과하는것을반사시키는반사층으로서특성이요구된다. 그러나, 반사특성을좋게하기위하여반사재료를많이넣으면막질이다공질하게되기쉬워유전체로서요구되는막질과상반된다. 따라서, 이들을둘다만족시키는적절한재료를선택할필요가있다. 또한, 백색유전체층의형성방법은전면기판의투명유전체또는격벽과동일하게스크린인쇄법, 그린시트법, 코터법등에의해형성되는경우가대부분이다. 따라서, 구체적인특허자료는앞서기재한전면유전체층또는격벽의형성방법에관한자료와동일하다. 일반적으로백색유전체층은재료자체의전기적, 광학적특성이아래의격벽과매우유사하므로공정단축과가격경쟁력향상을위해대부분의업체들이백색유전체층과격벽을동시에형성시키는공법을적용하고있다. (4) 격벽의형성격벽에요구되는특성은균일한방전공간을확보하고크로스-토크 (Cross-talk) 를방지할수있는격벽의높이와폭의균일성이요구되며, 또한전면기판을지지하는역할에따른충분한강도가요구되어진다. 격벽의패터닝에대한대표적인형성방법으로서는다음의방법이사용된다. 1 스크린인쇄법 2 샌드블래스트법 (Sandblast) 3 에칭법 (Etching) 4 감광성페이스트법스크린인쇄법은설비비용이나재료효율등의측면에서는제일유리하지만정밀도라는점에서문제가있다. 한편샌드블래스트법은격벽패턴의정밀도측면에서는유리하지만, 재료손실과가공에따른폐재료처리가문제가된다. 따라서, 현재는대부분의산업계에서는 3 에칭법및 4-111 -
감광성페이스트법을사용하고있으며, 이는상기방법의공정시간이단축된다는장점뿐만아니라해상도측면에서도유리하기때문이다. 그중에서 3 에칭법은격벽페이스트를인쇄법, 코터법또는그린시트법을이용하여백색유전체 (White Back) 상에도포하는단계, 이를건조및소성시키는단계, DFR 또는 PR을이용하여격벽패턴을형성하는단계, 에칭하는단계, 및박리하는단계를거쳐격벽의패턴을형성한다. 또, 현재국내업체에서적극적으로검토하는 4 감광성페이스트법은감광성페이스트를인쇄법, 코터법또는그린시트법를이용하여백색유전체 (White Back) 상에도포하는단계, 이를건조소성시키는단계, 마스크를이용하여노광및현상하는단계, 소성하는단계를거쳐격벽의패턴을형성한다. 그러나, 이공법은 PDP의단위층가운데두께가가장두꺼운격벽층을노광에의해형성한다는특성과글래스프릿 (Glass Frit), 필러 (Filler) 등의파우더성분이감도가큰감광성유기물과상호혼합된상태로페이스트가형성되므로재료적으로안정성에취약하다는단점과하부까지노광이진행될수있도록재료자체의굴절률등을만족시켜야하는난점이있음에도, 공정자체가가지는이점이있어현재적용중이거나적용하고자하는연구가활발히진행중이다. 격벽의성막방법에있어서는인쇄법, 그린시트법, 코터법등이알려져있다. 일본공개특허공보제1990-301934호에서는종래기술로서절연성격벽을스크린인쇄법으로패턴인쇄하는경우공정이길고패턴의정밀도가저하되며균일성이저하되는문제가있고, 이를개선하고자격벽이형성될면을전면베타인소한후레지스터막을도포하고노광 현상공정에의해패터닝한후샌드블러스트처리를행하는기술을기재하고있다. 상기특허는종래기술로서스크린패턴인쇄를기재하고있을뿐만아니라, 해결과제로서격벽면을인쇄에의해베타막으로형성하는것과이를샌드블러스트처리하는것을모두기재하고있다. 일본공개특허공보제 1996-255510 호에서는격벽의패턴형성은종래의 샌드블러스트법과동일하나베타인쇄를이용한종래의방법은여전히 - 112 -
인쇄회수가많고이로인해작업효율및양산효율이향상되지않는다는단점을개선하고자연화점이소성온도에서적어도 50 낮은비정질유리, 내산화성산화물, 가소제, 바인더및용매로형성된조성물을캐스트하여가열에의해유기용매를제거한격벽형성용그린테이프를기판에적층한후샌드블러스트용레지스트를형성한후샌드블러스트함으로써격벽을형성하는방법을기재하고있다. 이특허는격벽의성막방법에있어인쇄법을탈피하여그린시트를이용한다는점에서기술적인의미가있다. 그림 3-13 일본공개특허공보제 1990-301934 호 21 : 글라스기판의일방향, 22 : 투명보위층, 23 : 절연층, 23a : 절연층부분 24 : 메시형태의마스크패턴, 25 : 메시형태의격벽 - 113 -
그림 3-14 일본공개특허공보제1996-255510호 도 1 : 본발명의제 1실시예로서, 유리기판상에외부입력을위한단자를형성 동기판상에아노드모선형성 아노드모선을전기적으로방전공간과절연하는절연층형성 방전셀을구획하는격벽형성공정으로이루어지며, 격벽의형성은그린테이프를수차례적층후가열한후샌드블러스트에의한에칭에의해패턴을형성하기위한레지스트패턴을형성한후샌드블러스트에의해격벽형성 - 114 -
격벽의패턴형성방법으로서먼저, 일본공개특허공보제1989-296534호는종래스크린인쇄로형성한격벽이스크린메시 (Mesh) 구멍의불균일성으로인해페이스트가통과할때물결무늬가형성되는문제점을해결하고자, 감광성페이스트를이용하여격벽의제1층시드층을형성한후, 겹침인쇄를통해격벽을형성하는것을특징으로하는 PDP의제조방법을기재하고있다. 이특허는종래기술로서격벽을패턴인쇄로형성함을기재하고있고, 앞서기재한일본공개특허공보제1990-301934호보다먼저출원된것이다. 일본특허출원제44-22857호에서격벽의패턴인쇄법을최초로기재하고있으나이출원건에대한데이터부재로인해이보고서에서는이일본공개특허공보제1989-296534호를최초의격벽패턴인쇄에관한특허로선정하였다. 샌드블러스터에의한격벽의패턴형성방법은앞서의일본공개특허공보제1990-301934호에서언급하였으며, 일본공개특허공보제1986-248338 호에서는종래의패턴인쇄를통한격벽형성방법을개선하고자기판상에내에칭층, 유리층, 소정패턴의레지스트막을형성후에그레지스트막을마스크로사용하여유리층을에칭함으로써소정형상의셀층을형성하는격벽의형성방법을기재하고있다. 통상적으로샌드블러스트방법도건식에칭방법으로볼수도있으나, 대부분의 PDP 업체들이샌드블러스트방법이후에습식에칭법을적용하였다는측면에서여기서는상기두방법을편의상서로다른방법으로분류하였다. 그림 3-14 일본공개특허공보제1986-248338호 11 : 글래스기판, 12 : 절연층, 13 : 피막, 14 : 글래스막, 15 : 레지스트막 - 115 -
마지막으로현재일본의일부업체에서만상용화된감광성페이스트를이용한격벽의형성방법은일본공개특허공보제1997-312135호에기재되어있다. 종래의스크린인쇄나감광성페이스트를여러단계에서사용하는경우많은가공공정으로인해공정이길고다른전사법들도공정시간이길다는단점이있다. 이특허에서는이를개선하고자유리미립자의평균굴절률을 1.5-1.68로한감광성페이스트를도포한후노광, 현상및소성단계로격벽을형성하는방법을기재하고있다. 상기특허이전에도격벽의일부분의층을감광성페이스트를이용하여형성한후노광, 현상을반복하는방법은일부보고되었으나, 일회의노광, 현상및소성단계로격벽을형성하는것은상기특허및출원인에의해최초로보고되었다. (5) 형광체의형성형광체공정에요구되는것은균일한막두께와격벽과의위치정밀도가요구되고있다. 스크린인쇄법에의한직접인쇄는 40" VGA급에서는가능하지만, 고정세로갈수록격벽과의정밀도가요구되어지기때문에현재는디스펜싱법을적용하는추세이다. 또한 Ink-Jet법도검토될수는있으나, 형광체의입자크기등과공정시간등을고려하면현재로서는별다른이점이없는실정이다. 일본공개특허공보제1977-113389호에서는종래의녹색형광체의발광휘도의경시저하를해결하고자새로운조성의녹색형광체를사용한 PDP를기재하고있다. 이특허는그기술적특성자체로서는별다른특징이없으나, 상세한설명에형광체층을형성하는전형적인방법으로서스프레이, 스크린인쇄, 침강법및광인쇄법을기재하고있다는것에특징이있다. 일본공개특허공보제1978-079391호에서는종래형광체의패터닝방법으로사용된포토레지스트법이나인쇄법이공정이복잡하고보호막을오 - 116 -
염시키는등의문제점이있어이를해결하고자형광체와유기용제의혼합액을가압노즐에의해방전공간에분사되어진대전미립자를편향전극공간을거쳐절연층상에부착시키는것을특징으로하는 PDP의제조방법을기재하고있다. 이특허는비록변형된방법이기는하나, 본질적으로디스펜싱법또는잉크젯법을이용하였다는점에그기술적특징이있다. 그림 3-15 일본공개특허공보제 1986-248338 호 1 : 글래스기판, 4 : 보호막, 5 : 형광체, 31 : 형광체혼합용액, 32 : 노즐 33 : 하전전극, 36 : 고압펌프, 37 & 38 : 미립자, 45 : 마스크 상기에기재된내용들을종합하여아래의 < 표 2> 에배면기판공정과형성방법을요약하였다. - 117 -
표 3-2 배면기판공정과형성방법 공정재료형성방법 하지막데이터전극백색유전체 (White Back) 격벽 (Barrier Rib) 저융점유리 SiO 2 Ag Cr/Cu/Cr Cr/Al/Cr 저융점유리저융점유리 ( 투명 ) 스크린인쇄법진공성막 ( 스퍼터링, CVD) 스크린인쇄법, 감광성페이스트법스퍼터에의한포토에칭법오프셋법스크린인쇄법, 코터법라미네이터에의한그린시트인쇄법, 그린시트법, 코터법스크린인쇄에의한직접형성감광성페이스트법샌브플래스트법, 에칭법 형광체 형광체 (R, G, O) 스크린인쇄법디스펜서법 - 118 -
제 4 장 PDP 구동파형 대부분의 PDP업체에서채택하고있는상용화된 3전극면방전 AC PDP의구동방식은 ADS(Address Display Separation) 방식이다. 가장기본적인구동파형은 그림 4-1 에보인바와같으며, 구동파형은크게초기화구간, 어드레스구간, 서스테인구간으로구분되어진다. 그림 4-1 기본 3 전극구동파형 X Reset Period Address Period Sustain Period Y1 Y239 Y240 Y241 Y480 A1 A1277 A1278 A1279 A2556 1. 리셋구간 리셋구간은많은불균일한방전셀의구조에도불구하고모든셀에서의벽전하를균일하게하여어드레스방전조건이동일하게형성되도록하는것이주목적이며, 그외블랙상태에서의낮은휘도를구현하는고명암비, 저계조영역에서의계조표현력향상을목적으로한다. - 119 -
(1) 고명암비구현기술한국등록특허공보제0088852호는 90년후지쓰가최초로 ADS(address display separated) 구동방식으로출원한것으로초기화기간, 어드레스기간, 및유지방전기간으로나누고, 패널상의모든셀을동시에리셋, 어드레스, 및유지방전순으로순차방전하는것을특징으로하고있다. 1개의화면은 1개의프레임으로정의하고, 1개의프레임은여러개의서브필드로구성된다. 그림 4-2 에서보인구동파형은기본서브필드의구동파형으로 1개의프레임에최소 8개이상의서브필드가반복되어인가된다. 따라서, 리셋방전이 8회반복인가되므로블랙에서의발광휘도가높게나타나는문제점이있다. 그림 4-2 한국등록특허공보제 0088852 호 일본등록특허공보제2756053호에서는이러한명암비를개선하고자전체셀에대한초기화를 1프레임에서 1회의서브필드에서만인가하고나머지의서브필드에서는소거방전만을인가하는구동파형을인가하는것을특징으로하고있다. 따라서, 기존의블랙광휘도를획기적으로개선할수있다. - 120 -
그림 4-3 일본등록특허공보제 2756053 호 a) 8 회리셋방전 /1 프레임 b) 1 회전체리셋방전 / 1 프레임 이와같이 1프레임당제1회의리셋방전을수행함에있어전체셀을동일한어드레싱조건으로벽전하를초기화하는방법으로강방전과소거방전을이용한방식에는한계가있고, 어드레스방전의동작마진을넓게확보하고어드레스방전전압을낮출수있는리셋방전파형이요구되었다. 미국등록특허공보제5745086호에서는리셋파형으로기존의구형파를이용하여강방전을발생시키는리셋방식에서벗어나램프파을인가하여약방전을발생시킴으로방전의발광양을더욱줄일수있고, 리셋방전에램프파형을인가함으로써어드레스방전의동작마진을넓게개선할수있었다. 즉, 램프파형은모든방전셀이각각다른방전조건을가지고있음에도불구하고, 각셀에서의벽전하의조건을각셀에맞게끔조절하여모든셀에서어드레스방전조건을동일하게설정할수있었다. 그러나, 이러한램프파형을이용한구동파형에서는매서브필드마다 1회의램프리셋파형을인가하여야하기때문에블랙광에서높은휘도가발생했다. 따라서, 1회프레임에서램프파형을 1회만인가하는구동파형의개발이요구되었다. - 121 -
그림 4-4 미국등록특허공보제 5745086 호 a) 기존의강방전리셋파형 b) 램프파형을이용한리셋파형 한국등록특허공보제0531527호에서는 1프레임당단 1회전체램프리셋방전을인가하여구동할수있는구동방식을제안하였고, 이로써암실명암비가 3000:1이상이될수있는구동파형이개발되었다. - 122 -
그림 4-5 한국등록특허공보제 0531527 호 a) 400:1 명암비구동파형 b) 3000:1 명암비구동파형 한국등록특허공보제0388912호에는기존의 3000:1 명암비용구동파형에서더욱명암비를개선시키기위해서램프파형의상승구간에서유지전극에인가되는일부분의파형을플로팅시키거나소정전압을인가함으로써스캔전극과유지전극간의방전의발생량을줄이고, 스캔전극과어드레스전극간의방전을그대로유지하는것을특징으로한다. - 123 -
그림 4-6 한국등록특허공보제 0388912 호 a) 기존램프리셋파형 b) 램프상승구간일부 X 전극전압인가 한국공개특허공보제2003-14097호와한국공개특허공보제 2000-3392호는리셋전압의크기가각서브필드의유지방전횟수또는표시상태등에따라다르게적용하여서브필드마다최소한의전압으로리셋방전을행하여기존의방식보다동작마진을확대하고명암비를더욱개선시킬수있는것을특징으로한다. 그림 4-7 한국공개특허공보제 2003-14097 호 - 124 -
한국등록특허공보제0458569호에서는리셋구간의하강기간에서스캔전극에인가되는전압이어드레스전극에인가되는전압보다낮은것을특징으로한다. 즉, 기존의리셋전압보다낮은전압값을인가하고있다. 또, 소거파형을스캔전극의하강램프로적용하여구동회로비용을저감시키는특징이있다. 그림 4-8 한국등록특허공보제0458569호 한국등록특허공보제0524314호에서는초기화후벽전압의위치를셀의방전특성곡선중간에위치시킴으로써리셋전압값을보다많이감소시켜암실명암비와동작마진을개선시키는것을특징으로한다. 그림 4-9 한국등록특허공보제0524314호 - 125 -
(2) 고마진구현기술한국등록특허공보제0456152호와한국등록특허공보제0472366호에서는 PDP의동작온도에따라리셋전압의하강전압값을변경하여온도에따른오방전의발생을방지하는것을특징으로한다. 그림 4-10 등록특허공보 10-0456152호 한국공개특허공보제2006-0032655호에서는방전가스중 Xe의분압을증가시키면초기화방전이불안정하게되어어드레스기간의오방전을발생할우려가있고이를해결하기위해리셋상승구간동안에어드레스전극에일정전압을인가하여리셋방전을안정화시키는것을특징으로한다. 그림 4-11 한국공개특허공보제2006-0032655호 - 126 -
(3) 저계조표현력향상기술종래의구동방법은최소의계조 1의값을표현하기위해서는최소가중치의서브필드에서유지방전을수행하였다. 최소계조인 1의계조표현을위해사용되는서브필드에서는방전휘도가최소 2회의유지방전을수행하게되어있고, 이는표시상그발광휘도가블랙의화면에비하여상대적밝게나타나서저계조의영상을표현하기에는문제가되었다. 이러한문제점을개선하기위하여유지방전을시키지않고어드레스방전과소거방전만으로최소휘도를표시하는방법이제시되었다. 일본등록특허공보제3454680호에서는최저휘도를표시하는서브필드를리셋방전 (50), 어드레스방전 (51), 및소거방전 (54) 만으로구성된것을특징으로하고있다. 그림 4-12 일본특허공보제 3454680 호 일본공개특허공보제2002-014652호에서는저계조표현에적합한램프파형으로폭이넓은펄스 (Vbk) 와램프하강펄스 (La2) 가연속하여인가되는펄스형태를제안하고있다. - 127 -
그림 4-13 일본공개특허공보 2002-14652 호 2. 소거구간 소거펄스는직전에인가된유지펄스의방전에의해패널에남게되는벽전하의일부를제거하여원하는양의벽전압으로제어하기위한것이다. 이러한소거펄스는흔히유지방전이종료된후다음서브필드의리셋기간직전의벽전하를제어하거나, 초기화후어드레스기간직전에불안정한일부셀의벽전압을제어하는데사용된다. 일반적으로사용되는소거펄스는 그림 4-14 에서보이는폭이좁흔펄스 ( 이하세폭소거펄스 ) 와폭이넓고전압이낮은펄스 ( 이하광폭소거펄스 ) 를사용한다. 그림 4-14 세폭소거펄스와광폭소거펄스 - 128 -
일본등록특허공보제2674304호에서는두전극상에인가되는펄스 ( 유지펄스B, 소거펄스 ) 를중첩시켜벽전하를소거하는방법을소개하고있다. 이러한소거펄스의문제점은셀의크기가모두완전히일치하지않고불균일할경우방전개시전압이서로달라동작마진이매우좁아진다. 그림 4-15 일본특허공보제2674304호 일본등록특허공보제3025598호에서는소거펄스로써하강램프파혹은둔파를적용하여방전셀의불균일성을파형으로개선하는방법을제안하였다. 그림 4-16 일본특허공보제3025598호 (a) 하강램프라소거펄스 (b) 둔파소거펄스 이상과같이둔파혹은램프형소거펄스를리셋에적용함으로써불균일한셀의방전개시전압차이를파형으로어느정도개선할수있었으나, 일부불안정한셀에서는램프형소거방전에서도강방전이발생하여어드 - 129 -
레스방전과는무관하게유지방전이발생하는현상이발생하였다. 이러한오방전을방지하기위해한국등록특허공보제0502924호에서는램프리셋파형이인가된후에다시소거펄스로램프형소거파형과세폭소거파형를인가하는방법을제시하였다. 그림 4-17 한국등록특허공보제0502924호 a) 하강램프형소거펄스. b) 상승램프형소거펄스. c) 세폭펄스형소거펄스. - 130 -
3. 어드레스방전구간 어드레스구간은리셋구간에의해균일화된벽전압의조건에서각각의전체설에동일한조건에서방전을수행한다. 따라서, 선택된방전셀에서는어드레스방전으로벽전하를변경시켜유지방전구간에서안정적인방전이발생할수있도록하는구간이다. 이러한어드레스구간에서는여러가지기술이적용되며, 특히동작마진을확대할수있는고마진어드레스기술, 회로비용을절감할수있는저가격화, 소모전력을최소화하여할수있는저전력기술, EMI를저감시키고파형간의간섭을최소화시킬수있는신뢰성, 해상도증가함에따른고해상도, 어드레스구간의시간을단축시키는고속구동기술등이있다. (1) 고마진어드레스기술최근사용하고있는 3전극 AC PDP용 ADS구동방식이한국등록특허공보제0088852호에제안되었고, 이는 그림 4-18 에보인구동파형과같이선택적기입방식을적용하였다. 그림 4-18 특허공보제0088852호 a) ADS 방식 b) 1SF 의구동파형 어드레스구간에서방전의동작마진을확보하기위해서는충분한어드레스방전을위한시간이필요하나, 어드레스방전에너무많은시간을사 - 131 -
용하면유지방전을위한시간이부족하여패널의휘도를저감시키게된다. 따라서, 일본등록특허공보제2737697호에서는어드레tm구간에인가되는스캔펄스의폭과데이터펄스의폭을인가시간에따라또는스캔라인별로다르게제어하여인가하는방법과서브필드마다스캔시간을다르게인가하는것을제시하였으며 그림5-19 에나타내었다. 즉, 프라이밍의상태에따라스캔펄스의폭을다르게제어함으로써어드레스방전이동작마진은그대로유지하면서어드레스방전에소요되는시간을단축할수있게되는장점이있다. 그림 4-19 일본등록특허공보제 2737697 호 < 시간에따라펄스폭이넓어지는예 > < 서브필드마다펄스폭이넓어지는예 > - 132 -
일본공개특허공보제2002-207449호에서는온도에따른동작마진을개선하고자온도에따라스캔펄스폭, 리셋펄스폭, 서스테인펄스폭을가변하는것을특징으로제안하고있다. 그림 4-20 은온도에따른스캔펄스폭의변화를보인것으로저온에서는스캔펄스폭을확대하여방전을보다안정적으로유지하고, 고온에서는스캔펄스폭을좁혀서어드레싱시간을단축시키는것이특징이다. 그림 4-20 일본공개특허공보제 2002-207449 호 a) 저온인경우 b) 고온인경우 그림 4-21 은온도에따른서스테인펄스폭의변화를보인것으로온도가낮으면폭을서스테인펄스폭을넓게설정하고온도가높으면서스테인펄스폭을좁게인가하는것이특징이다. 그림 4-21 일본공개특허공보제2002-207449호 - 133 -
그림 4-22 는온도에따른리셋펄스의변화를보인것으로온도가증가하면리셋폭을줄여인가되는리셋전압값을줄이고온도가감소하면리셋폭을증가시켜높은리셋전압을인가하는것이특징이다. 그림 4-22 일본공개특허공보 2002-207449호 (2) 어드레스시간단축기술어드레스시간을 1/2로단축시키기위하여어드레스전극를상하로나누어동시에구동하는기술이일본공개특허공보제55-029852호에제안되어있다. 이러한분할구동방식은주사를화면전체에순차적으로하는것보다주사시간을 1/2로줄일수있고, 나머지시간은 SF수를늘려서화질을개선하거나혹은유지방전펄스수를늘려서휘도를높이는데사용될수있다. 그림 4-23 는전극분할및동시주사를가능하게하는특징을보인다. 더나아가주사시간을 1/4로단축시키기위하여전극분할과더불어 1개의표시열에 2개의데이터라인을병렬로사용하는방법이일본공개특허공보제11-312471호에제안되었으며 그림 4-24 에나타나있다. - 134 -
그림 4-23 일본공개특허공보제 55-029852 호 그림 4-24 일본공개특허공보제 11-312471 호 (3) 저전력어드레스방전기술고해상도에따른라인수의증가및고정세화에따른전극간용량의증가에의해어드레스과정에서발생하는소비전력을저감시키는것은중요한과제이다. 어드레스드라이버의소비전력은데이데기입에사용되는전력과각어드레스전극의충방전에사용되는전력의합계가된다. 특히, 충방전에사용되는전력은어드레스드라이버의소비전력의대부분을차지하고있어이를개선하는것이중요하다. 종래의구동방법에서는스캔전극의주사순서가 Y1에서 Yn까지순차적으로인가되도록설계되어, 스캔동작중에변경되지않았다. 이러한점을착안하여한국공개특허공보 - 135 -
제1999-0076539호에서는각라인마다데이터의변위전류가특정한기준치보다작게되도록주사순서를변경하여인가하는방법을제안하고있다. 이방식에서는 그림 4-25 에서보인바와같이복수의주사순서를설정하여데이터의전력을미리계산하여최소의전력이되는주사순서를결정하여인가하는것이특징이다. 예를들어하나의표시패턴을두가지의주사순서로표시하여최소의상태변화, 즉최소의충방전전력이요구되는순서로인가하는방법이다. 그림 4-25 한국공개특허공보제 1999-0076539 호 - 136 -
CLEAR구동방식으로유명한파이오니아의선택적구동방식은한국등록특허공보제0362694호에제안되어있고이는저전력어드레스방전에서도매우유리하다. 즉, 그림 4-26 에보인바와같이하나의프레임에서한번의어드레스방전만을수행하는서브필드의패턴을이용하여표시하고, 이방법으로표시하지못하는계조는오차확산법및디더링법을적용하여어드레스소비전력에서상당히효과적인방법을제시하였다. 그림 4-26 공개특허공보 1999-0076539호 어드레스방전에서소비전력을절감하기위해서는 P=CV 2 의수식에서파악할수있듯이, C값혹은인가전압값을줄이면소비전력을개선할수있다. 여기서 C값은패널의고정값에해당하고인가전압값을줄이기위해구동전압값의변화치를최소화하는방법이일본등록특허공보제 2655076호에제안되어있다. 그림 4-27 의 a) 에서보인바와같이데이터펄스를데이터베이스전압에중첩하여인가하는방식으로데이터베이스전압값을 b) 에서보인바와같이어드레스방전이발생하지않는전압만큼상승시키고, 데이터펄스의값은어드레스방전이발생할수있는전압값만큼인가하는방식으로데이터펄스의변위전압값을최소화 - 137 -
시킴으로써충방전에인가되는소비전력을최소화하고자하는방법이다. 그림 4-27 일본등록특허공보제2655076호 (a) 인가파형 (b) 인가전압의범위 (4) 고신뢰성어드레스구현기술종래의구동방법에서는스캔펄스가인가되는것과동기되어데이터펄스들이동시에인가됨으로써높은변위전류와방전전류가흐르게되어전극및구동회로의임피던스에의한전압강하가증가하고, 스캔펄스가인가되지않는다른비선택주사선에서는원치않는용량성전압이유도되어동작마진에좋지않은문제점이있다. 일본등록특허공보제 2953342호에서는이러한것을해결하고자 그림 4-28 에서보인바와같이데이터전극을복수의군으로나누고인가되는데이터펄스시점을분산시킴으로써피크전류치의크기를감소시키고전압강하등에의한현상을개선시키는것이특징이다. 그림 4-28 일본특허공보제2953342호 - 138 -
(5) 고해상도구현기술종래 AC PDP 패널구조는 그림 4-29 a) 에서보인구조이며, 이러한구조에서는화소간의피치를줄여서고해상도를구현하는데제한이있고, 전극수가많아져서구동회로의규모가커지는단점이있었다. 이러한패널의구조을개선하고자일본공개특허공보제05-002993호및일본특허공개공보제02-220330호는 그림 4-29 b) 에보인패널의구조를제안하였고, 하나의전극에인접하는 2개의라인을구동하기위해하나의전극을공용으로사용하는방법이한국등록특허공보제 0336824호에제안되었다. 그림 4-29 일본공개특허공보제05-002993호및제02-220330호 (a) X-Y, X-Y 전극구조 (b) X-Y-X-Y전극구조 (ALIS전극구조) 그림 4-30 한국등록특허공보제 0336824 호 - 139 -
이러한구동방법에서는표시화면을 그림 4-30 에보인바와같이우수라인그룹과기수라인그룹으로나누어연결하고, 각그룹의표시를 60Hz씩 2번으로한번은기수라인을표시하고한번은우수라인들을표시하도록하는방식으로 30Hz에걸쳐서하나의화면을표시하는구동방법이다. 구체적인구동파형은 그림 4-31 에보였다. 즉기수필드동안에는 그림 31 (a) 에보인것처럼기수 X, Y전극사이와우수 X, Y 전극사이의방전셀에서만어드레싱방전과유지방전을수행하여기수표시라인을표시하고, 우수필드동안에는 그림 4-31 (b) 에서보인것처럼기수X, 우수Y전극사이와우수X, 기수Y전극사이의방전셀에서만표시방전을수행하는것이특징이다. 이와같이하나의전극에인접한두라인을구동함으로써 Y전극에사용되는드라이버의개수를반으로저감할수있는장점이있는반면, X전극을구동하기위해두개의구동부가필요하다는단점도있다. 또, 이러한표시장치는흔히동영상을표현하는 TV 모드에서는고해상도로 30Hz 인터레이스 (interlace) 구동을수행하지만, PC모드와같은정지영상을표현하기위해서는 60Hz의저해상도구동을행한다. 그림 4-31 등록특허공보 10-0336824호 - 140 -
(a) 기수필드 (b) 우수필드 상기 ALIS구동에서는영상을표현시 30Hz의인터레이스방식을사용함으로서발생되는플리커가사람들의눈에인식되는단점과, 격자패턴혹은 2라인씩표시하는경우해상도가반으로보이는등의단점을극복하기위해 e-alis방식이한국공개특허공보제2002-0027144호에제안되었다. e-alis방식은 ALIS전극구조패널에서구동방식을변경하여동영상과정지영상을 60Hz로순차주사구동방식을적용하여고해상도를구현하는것을특징으로한다. 구체적인적용방식은 그림 4-32 에보인바와같이어드레스구간을전반부와후반부로나누어어드레스방전을수행한후공통서스테인구간에서모든표시라인을유지방전하는구동방식으로어드레스구간의구동파형은 그림 4-33 에보였으며, 이에따른발광방식을 그림 4-34 에나타내었다. - 141 -
그림 4-32 공개특허공보 2002-0027144 호 그림 4-33 공개특허공보 2002-0027144 호 - 142 -
그림 4-34 공개특허공보 2002-0027144 호 (6) 고속구동어드레스기술종래에는선택적기입방식만존재하였으나일본등록특허공보제 2517572호에서는 ADS구동방법에서선택적소거방식을적용하여고속어드레싱을수행하는방법을제안하였다. 그림 4-35 일본특허공보제2517572호 - 143 -
일본공개특허공보제10-307561호에서는 그림 4-36 에보인것과같이선택적기입방식과선택적소거방식을혼합하여사용하는방식을제안하고있으며고명암비와의사윤곽을개선하는효과가있다. 그리고, 어드레스구간에서기입방식과소거방식을혼합하여사용함으로써어드레스구간에필요한시간을줄일수있는장점이있다. 그림 4-36 일본공개특허공보제10-307561 한국공개특허공보제2000-0006211호에서는선택적기입방식에서어드레스방전에소요되는시간을단축하기위한방법을제시하고있다. 이특허는리셋구간에 Y전극의최저도달전위보다 Vy만큼낮게스캔펄스의전압값을인가함으로써보다빠르고안정한어드레스방전을제공하는것을특징으로한다. 그림 4-37 공개특허공보제2000-0006211호 - 144 -
4. 유지방전구간 유지방전구간에인가되는유지방전펄스는어드레스구간에서선택된셀에서유지방전을수행하여원하는만큼의발광휘도를저소비전력에서발생시키는것이주요한역할이다. 이구간에서는보다넓은동작마진을확보하기위한고마진기술및고효율등의기술이주요이슈이다. (1) 고마진구현기술유지방전구간에서안정된방전을지속시키는것은어드레스방전후유지방전구간에서최초로인가되는유지방전펄스에의해형성되는벽전하의양에의해서좌우된다. 즉, 최초유지방전펄스에의해형성되는벽전하의양이충분하지않으면벽전하가서서히소멸될수도있고, 만약충분한양의벽전하량을형성할수있다면안정된유지방전을지속적으로수행할수있다. 일본등록특허공보제2674485호에서는유지방전을안정화시키는방법으로 (a) 의 1C, 2d의첫번째유지방전펄스의폭을넓게혹은 (b) 의 1i의전압을높게인가하는방법을보여주고있다. 그림 4-38 일본등록특허공보제 2674485 호 (a) 광폭펄스 (b) 높은전압펄스 - 145 -
한국등록특허공보제0574124호는선택적초기화파형의직전에인가하는유지방전펄스의기울기를크게하여방전을강하게발생시키고이로인하여데이터전극과유지전극에형성되는벽전하량증가시켜동작마진을확대하는방법을제안하고있다. 이는유지방전구간에서크게두구간으로분리하여에너지회수시간을유지방전구간의전반부에서는대략 500ns 정도로길게설정하고후반부에서 250ns 정도로짧게설정하는에너지회수시간을인가하는것을특징으로한다. 그림 4-39 한국등록특허공보 10-0574124 호 (2) 고효율구현기술기존에는유지방전펄스로서단순히구형파를인가하였으나, 이러한파형보다높은효율을가지는구동방법으로한국등록특허공보제0283493 호에서는선행하는짧은주기 (t1) 의고전압 (V1) 펄스와후속하는긴주기 (t2) 의저전압 (V2) 펄스로이루어지는방전유지방전펄스전압을순차적으로인가하는것을특징하고있다. 그러나, 실제로는 LC공진을이용한 그림 40(b) 에보인파형을인가한다. 그림 40 (c), (d) 에서는 - 146 -
20kHz의유지방전펄스파형의발광효율이 V2의전압값이낮을수록높고, 발광휘도는 V1이높고, V2가높을수록밝은특징을보여주고있다. 그림 4-40 한국등록특허공보제 0283493 호 (a) 설계파형 (b) 인가파형 (c) 발광효율 (d) 발광휘도 1개의유지방전펄스에의해제1방전과제2방전을발생시켜서방전셀의발광효율을상승시키는방법이한국등록특허공보제0436819호에제안되었다. 제1방전은 LC공진에의해전압을 Vpu까지상승시켜발생시키고, 제2방전은 Vpb까지전압이저하했을때에 Vsus전원에접속하여전압을상승시켜발생시킨다. 2번방전에의해효율이상승하는이유는자외선발광이나형광체의포화가작아서발생한다고추측되며, 발광효율은두방전을발생시키는피크값의간격에따라변하며이에대한특징이 그림 4-41 (b) 에나타나있다. 이러한발광효율은피크값의간격뿐만아니라한서브필드에서의점등율에따라변화한다. 즉, 점등율이증 - 147 -
가하면 300ns와같이지연시간이느린것이유리하고, 점등률이낮으면지연시간이빠른것이높은효율을가지는특징을나타내고있다. 그림 4-41 한국등록특허공보제 0436819 호 (a) 고효율구동파형 (b) 피크간격 - 발광효율관계 (c) 점등율 - 발광효율과의관계 AC PDP에서는보다높은발광효율과휘도, 그리고라인에서발광부하량의차이에따라전압강하값이달라줄무늬현상 ( 스트리킹현상 ) 이발생한다. 앞에서언급한두가지의고효율용유지방전펄스는모두방전피크전류가작고발광효율이높아스트리킹도저감되지만, 요구되는펄스폭이넓어서유지방전펄스수를많이인가할수없으므로피크휘도가저하되는문제점이있다. 높은발광효율및스트리킹저감과고휘도라는특 - 148 -
성을모두실현하기위해표시상태에따라서서스테인펄스의종류를바꾸는것도생각할수있지만, 서스테인펄스의종류에따라휘도나색도가다르기때문에변환시에시감의차이가감지되고, 이러한시감의차이를해결하기위해한국공개특허공보제2006-52535호에서는혼합방식을제안하고있다. 이특허의해결방안은표시율이 20% 보다클때에는프레임내의모든서브프레임이 50KHz의제1서스테인펄스 [ 전력을시간적으로분산시킨펄스 ] 를인가하고, 표시율이 20% ~ 15% 사이일때는제 1서스테인펄스로구성되는서브프레임에서제2서스테인펄스 [ 전력을시간적으로집중시킨펄스 ] 로구성되는서브프레임으로순서대로절환되며, 표시율이 15% 이하일때는모든서브프레임에제2서스테인펄스가인가된다. 그림 4-42 중 (A) 는전력이시간적으로분산된제1서스테인펄스이고, (B) 는전력이시간적으로집중된제2서스테인펄스이다. 그림 4-42 공개특허공보 2006-52535호 - 149 -
(3) 고화질구현기술종래의 AC PDP에서는 1라인을구성하는복수의표시셀은공통서스테인전극과스캔전극의쌍에의해구동된다. 이경우에라인별표시데이터를표시하기위한전류는표시셀내의표시데이터량에거의비례한다. 각전극에는저항성분이분포되어있다. 전극이길수록전극의저항이커지므로전압강하의크기는라인의표시데이터량에좌우된다. 표시라인전압강하는표시데이터량에따라다르고, 방전전류도각서브필드동안에표시되는부하에따라변한다. 그결과, 서브필드동안에얻어지는휘도는선형적으로변화하지않고불규칙해지는문제가있다. 최악의경우 그림 4-43(b) 에보인바와같이휘도가계조레벨간에역전되는문제도생긴다. 따라서, 한국등록특허공보제0436452호에서는라인별표시데이터량에따라라인사이에휘도의차이가생기는것을방지하고선형적인휘도를확보하기위하여라인별로표시데이터량을검출한후표시데이터량이많은라인의휘도저하를보상하기위해유지방전방전의횟수를라인별로서스테인펄스의개수를적절히조정한다. 라인별휘도저하에대한보상은 X, Y전극에 SUSE(Sustain Enable) 신호를이용하여유지방전개시및정지를제어한다. 그림 4-43 한국등록특허공보제 0436452 호 (a) 라인부하에휘도변화 (b) 표시데이터량에따른휘도변화 - 150 -
(c) 제어신호 SUSE 입력예 밝은장면과어두운장면에서최적의화면표시를하기위해서는화상의휘도에따라제어할필요가있다. 한국등록특허공보제0366034호에서는이러한것을위해평균휘도레벨에따라서브필드의수, 화상신호증폭율, 및가중배수를조절하는것을 그림 4-44 에나타내었다. 그림 4-44 에서는평균휘도레벨 Lav와피크휘도레벨 Lpk에따라각구간별로 N배모드값, 곱셉기의정수배계수 A, 서브필드의수 Z, 및계조표시의수 K로구분하여나타내었다. 예를들어밤하늘에빛나는별이보이는영상을표시하는경우평균레벨 Lav가낮고, 피크레벨 Lpk는높은영역을선택한다. 이영역에서는밝은곳은더욱밝게강조되므로별은더우갈게빛나는것처럼보인다. 반면, 어두운밤에희미하게사람이보이는영상의경우평균레벨 Lav는낮고, 피크레벨 Lpk도낮은영역을선택한다. 한국등록특허공보제0490965호에서는부하량에따라변하는발광휘도를보정하기위해서부하량이큰경우는유지방전펄스의상승시간을단축시켜발광휘도를증가시키고부하량이적은경우는유지방전펄스의상승시간을길게하여발광휘도를감소시켜서보정하는방법을제안하였다. - 151 -
그림 4-44 한국등록특허공보제 036034 호 그림 4-45 한국등록특허공보제 0490965 호 (a) 부하에따른발광휘도 (b) 부하에따른기울기변경파형 - 152 -
(4) 저가격화기술종래의유지방전구동회로보다내압을 1/2로줄일수있도록회로를구성하고충방전에의한소비전력을저감하기위해일본등록특허공보제 3201603호에서는 TERES 구동방법및그구동회로를제안하였다. 그림 4-46(a) 는 TERES 구동회로를보여주고있고, 그림 4-46(b) 는그구동파형을나타내고있다. 그림 4-46 일본등록특허공보제 3201603 호 (a) TERES 구동회로 (b) TERES 구동파형 - 153 -
(5) 온도에따른최적제어구현기술온도가일정기준치를넘어가면발광휘도를저감시켜구동하는방법으로일본공개특허공보제07-050388호가있고, PDP 동작중온도가상승할경우, 유지방전방전펄스수를제어하는방법이일본공개특허공보제 09-006283호에개시되어있다. (6) 정지영상에따른잔상저감기술동일한화면장시간표시되면잔상과발열이발생한다. 이러한현상을개선하기위해일본등록특허공보제3405422호에서는현재영상데이터와 1 프레임전의데이터를비교하여이를카운터하여소정기간동안데이터의변화가없을경우에는영상의밝기를저감시켜잔상을저감하는기술을제안하였다. - 154 -
제 5 장 PDP 구동회로 PDP에영상을표시하기위해유지전극쌍 ( 공통전극및주사전극 ) 과기입전극들에전기적신호를인가하는구동회로는, 각전극의역할에맞게다양한파형을발생시킬수있도록구성된다. 일반적으로각전극에연결되는구동회로의구성을살펴보면, 먼저공통전극용구동회로에는유지방전펄스를발생시키기는회로, 전력회수회로, 초기화구간과기입구간동안일정한전압을유지하는 DC전압스위치를포함한다. 가장많은기능을수행하는주사전극용구동회로에는초기화파형을발생시키기위한회로, 순차적인주사펄스를발생시키기위한회로, 유지방전펄스를발생시키기위한회로, 전력회수회로를포함한다. 가장단순한기입전극용구동회로에는기입펄스발생회로와선택적으로기입전극전력회수회로가구비된다. 그외, 각회로소자들의신뢰성을확보하기위한추가적인회로들이있다. 1. 유지전극전력회수회로 PDP 패널은용량형소자로써표시방전을위해유지방전펄스를인가할때각유지방전펄스마다용량형소자를충전및방전하기위한전력이소모되며, 이러한전력은광의발생에직접적으로기여하지못하는무효전력이다. 이러한무효전력의소모를감소시키는전력회수회로는 PDP에는필수적인회로이며, 무효전력의회수율을높이고영전압스위칭특성등을개선하기위해다양한전력회수회로들이제안되고있다. 미국등록특허공보제4,866,349호및제5,081,400호는 PDP 패널에인가되는유지방전펄스에의해소비되는무효전력을회수하여재사용하는전력회수회로의가장기본적인형태로서현재까지도가장널리사용되는방식으로 직렬 LC' 방식전력회수회로 ( 일반적으로 Weber형이라한다 ) 에관하여설명하고있다. 이특허는패널을충전및방전시키는인덕터, 스위치수단및회수커패시터를구비하고, 방전셀을충전시켜방전을일으 - 155 -
킬때는회수커패시터및인덕터를공진시켜회수커패시터에저장된에너지를방전셀로공급하고, 방전이종료된후방전셀의패널커패시터및인덕터를공진시켜에너지를회수하여저장하는방법을제안하고있다. 그림 5-1 미국등록특허공보제 4,866,349 호및제 5,081,400 호 (a) 직렬 LC 형에너지회수회로 (b) 직렬 LC 형에너지회수회로의동작파형 미국등록특허공보제5,808,420호는직렬 LC방식의전력회수회로에서회로의기생성분에의해소비되는전력에의해발생되는전력회수율감소를해결하고영전압스위칭을달성하기위해 전류 Boost' 형전력회수회로를제안하였다. 전력회수용커패시터와전원사이에추가적인커패시터를더구비하고인덕터에미리저장된에너지를이용하여패널에극성을바꿀때부스팅된전류로영전압스위칭을달성한다. - 156 -
그림 5-2 미국등록특허공보제 5,808,420 호 한편, 일본등록특허공보제2755201호는이른바 Sakai형 전력회수회로라고불린다. Sakai형전력회수회로는무효전력저감과동시에전력회수회로의부품수를줄이기위해패널로부터회수된전력을저장하는커패시터를삭제하고, 패널커패시터 (Cp) 와병렬로접속되어패널방전시발생하는공진전류를이용하여역극성으로재충전하는인덕터 (8, 코일 ) 와스위치들을구비한다. Sakai형전력회수회로는한쪽전극에서회수된에너지를바로반대편전극에공급하는것을특징으로한다. 그림 5-3 일본등록특허공보제 2755201 호 - 157 -
전력회수회로의구성부품개수를줄이기위한다른제안으로일본등록특허공보제2751951호에서는종래의두유지전극을구동하는구동회로에각각구비되어있던커패시터를하나로통합한전력회수회로가도시하고있다. 한쪽전극에서회수된전력을커패서터에저장하고저장된전력을이용하여반대편전극에공급하는방식으로구동된다. 그림 5-4 일본등록특허공보제 2751951 호 한국등록특허공보제0222203호에서는저내압스위칭소자를사용할수있고에너지손실을저감하여효율을향상시키는방법으로 이중공진형 전력회수회로가제안되었다. 커패시터와스위치들로이루어지는공진회로를구동전위가서로다른복수단으로구성하고, 각공진회로의스위칭소자를차례로동작시켜패널커패시턴스를여러번에걸쳐충전함으로써에너지손실을저감하고있다. 한국등록특허공보제0421014호는패널의양유지전극사이에배치되고서로자기적으로결합된제1, 2차코일 (La, Lb) 을구비하고회수된전력을저장하는커패시터를삭제함으로써전력회수회로의소자수를줄이며영전압스위칭을구현한다. 따라서, 무효전력및 EMI를저감하고부트스트랩등의절연게이트드라이버를비절연게이트드라이버로대체하여회로를간략화한다. - 158 -
그림 5-5 한국등록특허공보제 2751951 호 그림 5-6 한국등록 10-0421014 한국등록특허공보제0458574호에서는전력손실없이패널전압의상승시간과하강시간을개별적으로조정할수있는구동회로를제공하기위해패널에서회수된전력을저장하는커패시터를삭제하고인덕터에전류를주입하고, 주입된전류와공진을이용하여패널전압을바꾸 - 159 -
며, 주입된전류의양을조절하여상승 / 하강시간조절하는것을특징으로한다. 그림 5-7 한국등록특허공보제 0458574 호 2. 유지전극초기화파형생성회로 일반적으로주사전극에인가되는초기화파형은명암비개선을위해램프형파형이적용되고있으며, 초기화파형생성회로는램프-업파형을발생시키는회로, 램프-다운파형을발생시키는회로, 각회로부들은전기적으로연결시키거나전류의역행을방지하기위한스위치들을포함한다. - 160 -
초기의램프파형발생회로에는드레인에연결된저항으로만구성된 CR 완화시간회로가적용되었으나, CR 완화시간회로는점등되는셀개수변화에따른방전전류의변화나부하의변동등으로램프파형의기울기가변하는문제점이있었다. 일본공개특허공보제11-133914호는이러한문제점를해결기위하여램프파형을출력하는스위치의게이트에접속된저항과게이트와드레인사이에접속된커패시터를구비하는밀러적분회로 (U2a) 를구비하는회로를해결수단으로제안하고하였다. 그림 5-8 일본공개특허공보제 11-133914 호 [ 종래기술 ] [ 본발명 ] 램프형의초기화파형은명암비를향상시키기위해서는반드시적용되어야하지만, 모든방전셀을안정적으로초기화하기위해서는램프파형의피크전압은 300V이상의고압이요구되며접지전압부터피크전압까지완만하게상승하는램프파형을인가하는데걸리는시간은매우길어구동파형을설계하는데어려움을있었다. 일본등록특허공보제3394010호에는램프형초기화파형의기간을단축하여, 고휘도를실현할수있는가스 - 161 -
방전패널표시장치의구동방법이제안되었으며, 펄스형태의파형을발생시키는회로에램프형태의파형을발생시키는회로를플로팅형태로접속하여구성함으로써종래의램프파형의총인가시간중초기화방전이수행되지않는시간에해당하는전압은급격하게변화시키고, 실제초기화방전이수행되는시간에서만램프형초기화파형이인가되도록한다. 그림 5-9 일본등록특허공보 3394010 초기화파형인가직후에기입구간이연결되면서각방전셀에기입방전이발생한다. 초기화파형의마지막인가전압, 즉램프형하강파형의최저전압이온도나부하의변동에따라변하면서방전셀내부의방전조건이서로다르게되어기입방전과정에서오방전이발생하는등의문제가발생된다. 일본공개특허공보제2002-32055호에서는초기화기간직후에바로이어기입동작을진행시켜온도의변화에도기입동작을안정화시키기위한초기화파형발생회로가기재되어있다. 이초기화파형발생회로 (27) 는램프형하강파형발생부와램프형하강파형전압이 -Vy전압보다미리설정한 ΔVy전압만큼높도록비교하는비교검출부 (24) 를구 - 162 -
비하여설정된전압에다다름과동시에기입구간이연결되도록하는것을특징으로한다. 그림 5-10 일본공개특허공보제 2002-032055 호 [ 본발명 ] 3. 유지방전펄스파형생성회로 공통전극과주사전극에교번하는유지방전펄스를인가시키기위해서는각전극마다 high/low 전압을각각연결하는하나의스위치쌍과전력회수회로, 이들을구동하기위한게이트드라이버등이구비된다. 고전압과대전류를제어하는회로부인만큼신뢰성과저전압등의이슈이다. 일본공개특허공보제2000-089724호는유지방전펄스파형생성용 IPM(Intelligent Power Module) 에관한것으로반도체파워모듈중전력회로부에서발생되는노이즈에의한제어회로부의영향을감소시키기위해반도체파워모듈의전력회로부수를복수개로한다. 이렇게반도체 - 163 -
파워모듈중전력회로부를복수개배치하여제어회로부개수를전력회로부개수보다줄이면노이즈의영향을저감할수있다. 그림 5-11 일본공개특허공보제 2000-089724 호 일본등록특허공보제3201603호는이른바 TERES(Technology of Reciprocal Sustainer)' 회로에관한출원이다. TERES회로는유지파형을발생시키는구동장치중각소자의내압을낮추는것은물론회로의구성을간소화하고제조코스트를저감하는것을특징으로한다. 주사전극및유지전극각회로부에플로팅된커패시터를구비하고, 커패시터에충전된전압과스위치를이용하여부하에인가되는전압의 1/2전압을가지는정 (+) 의전압과부 (-) 의전압을선택적으로부하에인가하는것을특징으로한다. 일본공개특허공보제2003-345262호에서는공통회로기판 (X) 과주사회로기판 (Y) 사이의발열량및발열시기의상이함에따른문제를해결하고 - 164 -
회로구조의단순화하기위하여공통전극을구동하는공통전극용구동회로와주사전극을구동하는주사전극용구동회로를단일의기판에배치하고중계기판을통하여구동회로와전극사이를연결하는것을특징으로한다. 그림 5-12 일본등록특허공보제 3201603 호 그림 5-13 일본공개특허공보제 2003-345262 호 [ 종래기술 ] [ 대표도면 ] - 165 -
4. 기입전극전력회수회로 어드레스기간중데이터기입에사용하는데이터전극구동회로에서는드라이버 IC에전력회수회로를구비하는것이곤란하지만전력회수회로를설치하지않으면충방전시큰소비전력이발생한다. 일본등록특허공보제2946921호는이러한문제점을개선하기위하여드라이버 IC의한쪽단부의전원단자에무효전력회수회로를접속하는것을특징으로하는기입전극용전력회수회로가제안되었다. 그림 5-14 일본등록특허공보제 2946921 호 [ 종래기술 ] [ 대표발명 ] 일본등록특허공보제3460496호에서는부하가많을경우무효전력회수회로의저전압전원단자의전압이상승하여전력회수회로가동작하지않고발열하게되는기존기입전극용전력회수회로의문제점을해결하기위해무효전력회수회로의저전압전원단자를삭제하여드라이버 IC의전원측에직접연결하고커패시터와병렬로연결된저항을구비하는것을특징으로하는기입전극용전력회수회로가개시되어있다. - 166 -
기존의직렬 LC형전력회수장치에서는커패시터전압을충전하기위한예비구간이필요하여고속기입동작이불가능한문제점이있었다. 한국등록특허공보제0363515호는병렬로연결된제1,2전력회수회로를구비하고, 하나의전력회수회로에서충전이이루어지는동안나머지하나의전력회수회로에서는방전이이루어지도록시간을중첩하여구동함으로써고속기입동작에도적용가능한것을특징으로하고있다. 그림 5-15 일본등록특허공보제3460496호 [ 종래기술 ] [ 본발명 ] 그림 5-16 한국등록 10-0363515 [ 종래기술 ] [ 본발명 ] - 167 -
한국등록특허공보제0351466호는이른바 'Full Resonant법 으로기존의전력회수장치를이용할경우커패시터에전압을충전하고방전하기위한시간이반드시필요하여고속기입동작이불가능하였던문제점으로해결하기위해인덕터, 스위치, 커패시터를직렬로연결하고콘덴서가충전된직후에발생되는공진파형의 1차및 2차공진점을이용하여데이터를공급하는것을특징으로한다. 그림 5-17 한국등록특허공보제 0351466 호 5. 신뢰성향상 일본등록특허공보제2642956호는용량성부하에서방전전류가클경우유지파형이변동하면서방전셀이오작동하는등의문제점이발생하는것을개선하기위하여출력측과고전압측사이의스위치와다이오드를병렬로연결하고, 출력측과저전압측사이의스위치, 다이오드, 및커패시터를구비하여유지파형의변동을감소시키는것을특징으로한다. 일본공개특허공보제07-210112호에서는전원을오프하였을때전원커패시터의잔류전하를신속히방전시켜전원공급선을연결했을때 PDP가파괴되는것을방지하기위한회로가개시되어있다. 이회로는 - 168 -
직류전원보다낮은전압이며전원오프시전압이급속히감소하는제2전원을구비하고, 트랜지스터와사이리스터로잔류전하를방전함으로써전원공급용전원선을연결하더라도돌입전류로인한 PDP의파괴를방지한다. 그림 5-18 일본등록특허공보제 2642956 호 [ 종래기술 ] [ 대표발명 ] 그림 5-19 일본공개제 07-210112 호 PDP는 200V ~ 400V의고전압으로구동되기때문에구동 IC 전극사이에쇼트가자주발생한다. 구동 IC 사이에쇼트가발생하면구동IC 전체가파괴되기때문에이를개선하기위하여일본공개특허공보제 - 169 -
08-30227호에서는고내압스위칭소자군과스위칭소자군의저압측공통라인이출력에접속된고내압푸시풀회로를구비하는것을특징으로하는구동 IC를포함하는구동회로를제안하고있다. 그림 5-20 일본공개평8-30227 [ 종래기술 ] [ 대표발명 ] 일본등록특허공보제3369535호는구동회로의기생용량과배선의유도계수에의한 LC공진으로발생되는고주파전자파를감소하기위해제안된기술로, 스위치의드레인과소스사이에콘덴서를병렬로접속하여, 드레인과소스사이의커패시턴스를증가시킴으로써불필요한고주파의전자파복사를억제하는것을특징으로한다. 그림 5-21 일본등록특허공보제3369535호 - 170 -
일본공개특허공보제2002-244568호는데이터드라이버의기준전위를중계기판을통해금속섀시에접지할경우에전류경로가길어지고임피던스가커져전자파가복사되는문제점을개선하기위한기입전극구동장치로써, 데이터드라이버 IC의사이에점퍼를접속하고방열판의나사구멍주변에동박패턴을마련하여전류경로를짧게하고전자파를억제하는것을특징으로한다. 그림 5-22 일본공개특허공보제2002-244568호 [ 종래기술 ] [ 대표발명 ] 기존에는기입전극용드라이버 IC의파괴를막기위해기입전극용드라이버 IC와전력회수회로사이에저항을구비하였으나, 소비전력이증가하고발열이발생하는등문제점이발생하였다. 이를개선하기위하여일본공개특허공보제2002-278509호에서는기입전극드라이버 IC와전력회수회로사이에커패서터와다이오드를직렬접속한스너버회로 (21, 22, 23) 와스너버회로와전력회수회로사이에코일을구비하는것을특징으로하고있다. PDP는대화면으로인해패널의위치에따라온도차이가발생하며, 온도차이에의해유지펄스를발생시키는반도체모듈의입력지연시간이서로달라진다. 일본공개특허공보제2001-318647호는이러한문제를해결하기위한것으로반도체모듈의입력단자에반도체집적회로의온도특성과반대의온도특성을가지는 CR 완화시간회로 (CR1 ~ CR4) 를접속하는것을특징으로한다. - 171 -
그림 5-23 일본공개특허공보제 2002-278509 호 [ 종래기술 ] [ 대표발명 ] 그림 5-24 일본공개특허공보제 2001-318647 호 일본공개특허공보제2006-113251호에서는각배선의길이와디바이스특성의영향에따라발생되는스위칭시간의지연격차를조정가능하도록하기위한것으로, 유지방전펄스를발생시키는스위치들을구동하기위한드라이버모듈의입력단자에 CR회로를접속하고스위치신호의출 - 172 -
력단에상보형바이폴라트랜지스트페어증폭회로를구비하는것을특징으로하는유지전극용구동회로가제안되어있다. 그림 5-25 일본공개특허공보제 2006-113251 호 [ 종래기술 ] [ 대표발명 ] - 173 -
제 6 장 PDP 필터 PDP 필터는전자파차폐, 근적외선차단, Orange 광차단, 외광반사방지및외부충격으로부터전면기판을보호하는기본적인역할을수행하고있다. 초기에는글라스필터가사용되어왔으나, 글라스필터와전면유리기판사이의갭 (gap) 으로인해이중영상이나타나는단점이있어, 최근에는필름필터를사용하여이중영상을개선함과동시에슬림화 (Slim), 가벼움 (Light) 및가격저감의얻을수있었다. 최근에는필터가없는, 즉전면유리기판의내부또는외부에필터의기능층을직접형성하려는기술개발동향이있다. PDP 필터는전자파차폐를위해서금속메쉬형태및도전막형태를사용하고있고, 근적외선차단을위해서근적외선흡수재료를사용하며, 색순도향상을위해서는색보정층및가시광흡수색소를사용하고있다. 또한반사방지를위해서고굴절률적층막및저굴절률적층막을적층하여사용하고있으며, 그에따른많은특허들이출원되어왔다. PDP 필터가복합기능을수행하기때문에각각의기능에따라특허를분리하여분석하는것이어려운일이지만, 일본과한국의 PDP 세트업체및 Filter 업체를중심으로 2006.11.20. 까지일본과한국에출원된특허를검색식 ( 플라즈마 * 플라스마 *)& 디스플레이 *& 필터 * 를이용하여전수조사를하여분석한것을바탕으로본장에서는 PDP 필터중핵심적이며기술동향을잘파악할수있는특허에관하여기술하고자한다. 1. 전자파차폐 PDP에서방출되는전자파는 30 ~ 280MHz범위에있으며, 전자파가인체에유해하다는것은널리알려져있다. 모듈의방전에의해발생되는전자파를전자기유도현상을이용하여차폐함으로써인체에유해한성분을저감할수있다. - 174 -
글라스필터및필름필터에대한메쉬형태및도전막형태의전자파차폐에관한특허는메쉬의패턴형상, 간격및제조방법, 도전막의적층재료및적층횟수등에관한출원이있다. (1) 메쉬형태일본특허공개공보제09148781호는메쉬형전자파차폐구조의근간이되는특허로서세로방향과횡방향각각의메쉬선이직교하고, 도전메쉬의밀도를 1인치당약 100개로하여 PDP에서방출되는전자파를차폐하는것을특징으로한다. 그림 6-1 일본특허공개공보제 09148781 호 이러한메쉬패턴을형성하기위해서 Bridgestone의일본특허공개공보제11074686호는금속박막에포토레지스트를코팅, 패턴노광및에칭의공정에의하여소정의패턴을형성하는것을특징으로하고있고, 일본특허공개공보제11074684호는도전성메쉬가선경 1 ~ 200μm, 통로율 30 ~ 99.9% 의금속섬유로구성되어있는것을특징으로하고있으며, 일본특허공개공보제11074688호는도전성잉크를패턴인쇄해서도전층을형성하는것을특징으로하고있다. 일본특허공개공보제12299593호는투명플라스틱필름의한면에금속메쉬로형성된전자파쉴드층, 다른면에 80 에있어서의점착력이적어도 10 g/cm인점착제층이각각형성되는전자파쉴드용필터를특징으로하고있으며, 한국등록특허제0670425호는패널의전면기판과일체형으로스트라이프형또는메쉬형으로전자파차단필터층이형성되는 - 175 -
것을특징으로하고있다. 메쉬형태에관련된 PDP 필터특허를분석하는것만으로도 PDP 필터의기술동향이글라스필터에서필름필터의방향으로이동하고있으며, 최근에는필터의기능이전면기판과일체형으로구성되어가는기술동향을알수있다. 그림 6-2 한국등록특허제 0670425 호 (2) 도전막형태 Mitsui에서출원한일본특허공개공보제10073718호는투명고분자필름 (C) 의주면상에고굴절률투명박막층 (D-산화인듐), 금속박막층 (E-은또는은합금 ) 이 (D)/(E) 의반복단위로서 4회이상적층되어있는조광필름 (B) 이투명기체 (A) 상에구성되어있으며, 가시광선투과율을 50% 이상, 파장 820~1000nm에대한광선투과율이 10% 이하인것을특징으로하고있다. 이건출원에서는투명기체 (A) 라고기재되어있어글라스기판인지필름기판인지를명확하게알수는없으나, 동일회사에서출원한일본특허공개공보제10024520호에는기판으로필름기판이사용될수있음이기재되어있어필터의기능층이형성되는기판이글라스기판또는필름기판인지는그발명이속하는기술분야에서통상의지식을가진자가기판의종류를용이하게선택하여사용할수있는것에불과하다는것을알수있다. - 176 -
그림 6-3 일본특허공개공보제 10073718 호 (F) (B) (E) (D ) (A) (C ) 한국등록특허제0603259호는일표면에투명도전층이형성되며유리재료로제작된한쌍의베이스판과필름의양표면사이에형성되는접착층및필름또는접착층에근적외선을차단하는물질을포함하는구성으로이루어져있으며, 투명도전층에미세한요철이형성되어있는것을특징으로한다. 그림 6-4 한국등록특허제 0603259 호 31a.31b. 베이스판 33a.33b. 접착층 32. 필름 34a.34b. 투명도전층 일본특허공개공보제15225964호는저항이낮고은응집을일으키지않는투명도전성박막적층체에관한것으로, 투명기체 ( 基体 )(A), 투명고굴절률박막층 (a) 및금속박막층 (b) 로구성된투명도전성박막적층체이고, (a) 는산화인듐, 산화주석, 산화아연또는산화티탄의어느하나를주성분으로하는구성및 ITO (b) 는은, neodymium, 금또는구리가함유되어있는구성되어있으며, A/b/a, A/b/a/b/a, A/a/b/a/b/a 등 - 177 -
의배치를특징으로하고있다. 그림 6-5 일본특허공개공보제 15225964 호 (b) (a) (A) 일본특허공개공보제14189420호는투명도전막층을가지는투명도전시트의면저항값이 3~10Ω/sq. 이며, 그투명도전막층이접착성수지또는점착성수지와접촉하고있어, 그접착성수지또는점착성수지가, 0.05 중량 % 이상의금속불활성화제를포함하는것을특징으로하고있다. 또한일본특허공개공보제18156927호는도전막의저항값이낮고투과 반사밴드가넓으며내부응력증가가억제되어광투과성의저하를방지할수있는전자파차폐필름을제공하는것에관련된것으로, 도전막은기체측으로부터산화물층과금속층이교대로적층되어금속층이 n 층, 산화물층이 n+1층 (n는 6~8) 이설치된다층구조체이고, 산화물층은알루미늄도프산화아연을주성분으로서함유하고있으며, 금속층은은또는금및 / 또는비스머스를함유하는은합금을주성분으로함유하고있는것을특징으로하고있다. 그림 6-6 일본특허공개공보제 18156927 호 보호막 산화물층금속층 도전막 - 178 -
2. 근적외선차단 PDP에서이용되는방전가스에는 Xe가스가포함되어있으며, 방전에의해 Xe가스로부터방출되는근적외선은리모콘및통신주파수의파장대범주를포함하고있어, 리모콘및통신기기의오동작을초래한다. 이를방지하기위하여근적외선흡수재료를이용한방법이이용되고있으며, 이에관련된출원도많이되어있다. 일본특허공개공보제09169849호는표면강도가뛰어난근적외선흡수필터를제공하기위하여유기용매에사용할수있는무기재료와근적외선흡수색소를섞은다음고온에서구워세라믹으로제조하는근적외선흡수재료에관한것으로무기재료는규소원자를함유하는폴리머및규소와질소를주사슬로하는 polysilazane인것및근적외선흡수색소가 700~1300nm에서최대흡수파장을가지는 phthalocyanine 또는 naphthalocyanine인것을특징으로하고있다. 또한이건특허는글라스필터및필름필터에서사용가능한것이다. 그림 6-7 일본특허공개공보제 09169849 호 Asahi의일본등록특허제3785716호는적외선흡수제를함유하는자기수복성및내찰과상성을가지는폴리우레탄수지 (A) 필름에관한것으로 A층과 A이외의합성수지 (B) 층을포함하고, 적어도한면이 A의표면층이며 A 및 B의적어도한편이적외선흡수제를함유하는적층체로구성되는것을특징으로하고있다. - 179 -
또한 Bridgestone의일본특허공개공보제13174626호및일본특허공개공보제15114323호는내구성이뛰어난근적외선흡수필름을제공하기위해지이모니움계화합물을함유하는근적외선흡수층을가지는구성을특징으로하고있다. 그림 6-8 일본특허공개공보제 15114323 호 3. 색순도향상 PDP에서방출되는 Ne광및 590nm의파장을저감하여 Red에의한색순도악화요인을제거함으로써, 색감향상, 색재현범위및색온도조정을하여고품위의 PDP를제공할수있는특허출원이있다. Fujitsu의일본등록특허제3410024호는전면기판의앞에가시광선영역의빛을흡수하는특성을가진필터를배치하는것으로색온도를높게하는색보정기능및 470 내지 520 나노미터의파장대와 560 내지 610 나노미터의파장대에흡수피크가나타나는특성을가지는가스방전표시장치를특징으로한다. - 180 -
그림 6-8 일본등록특허제 3410024 호 Matsushita의일본특허공개공보제10274913호는콘트라스트, 해상도및색순도모두양호한표시를얻을수있는플라스마디스플레이패널에관한것으로전면판과배면판이대향배치되어전면판의표시면측에필터가설치되어필터의가시광선에대한평균투과율이 30~80% 인것과동시에 450~650 nm의범위의빛에대한투과율이딥 (dip) 부를가지고있는것을특징으로한다. Bridgestone의일본특허공개공보제14189422호는색재현성향상을주된목적으로한것이며, 575~595 nm에흡수극대파장을가지는색소를포함한수지코팅용액을투명필름위에균일하게도포한것을특징으로한다. Asahi의일본특허공개공보제15066226호는색조보정능및자기수복성능을가지는광학필름에관한것으로, 용제에가용으로유리전이온도가 50 이하인열가소성수지제, 색조보정층 (A) 이적어도한면에설치된자기수복성및자외선흡수성을가지는투명수지층 (B) 을가지는광학필름을특징으로한다. - 181 -
Mitsui의일본특허공개공보제17338661호는색순도를악화시키는불필요한발광을뛰어난내구성을가지는색소를이용해제거하여발광색색순도와콘트라스트를개선할수있는것으로, 440~510nm 사이의선택적인극대흡수를가지고, 투과율이 10~80% 인색소 (A) 포함, 530~620nm 사이의선택적인극대흡수를가지는색소 (B) 포함및투명기체 ( 基体 )/ 도전층 / 기능성투명층의순서로적층되며, 조색층을가지는구성을특징으로한다. 그림 6-9 일본특허공개공보제 17338661 호 SKC의한국특허공개공보제2001-0026838호는반사광및삼원색의중간색에해당하는방출광을차단하여칼라표시장치의색순도및콘트라스트를개선할수있는것으로유기용매에플라스틱수지및화학식의카보시아닌유도체가용해된칼라표시장치용광선택흡수성코팅조성물을특징으로한다. 그림 6-10 한국특허공개공보제 2001-0026838 호 - 182 -
삼성 SDI의한국등록특허제0669721호는색감기능과콘트라스트를향상시킬수있는것으로투명물질과선택적흡광물질인테트라아자포르피린계화합물을함유하는투명선택적흡광층을포함하는구성을특징으로하고있다. 그림 6-11 한국등록특허제 0669721 호 앞에서언급했듯이, 필터기능층의특징을분리하기가어려운이유중하나는다양한근적외선차단및색순도향상등의기능층이하나의구성으로서이루어지는것및색순도향상및콘트라스트를향상시킬수있는반사방지등의기능층이동시에구현되는것에관련된특허출원이증가하고있기때문이다. Asahi의일본특허공개공보제17258170호는근적외선차단및색순도향상을위해 triacetyl cellulose 필름으로부터되는기재층과그기재층에접해열가소성수지중에염료를함유하는염료층의구성을이용하고있다. 그림 6-12 일본특허공개공보제 17258170 호 염료층 반사방지막 기재층 전자파가림층 기판 반사방지막 - 183 -
4. 반사방지 PDP의반사방지를위해필터의기능층바깥쪽 ( 시인측 ) 에 AR(Anti Glare), AG/AR(Anti Glare/Anti Reflective) 및 AR(Anti Reflective) 층이형성된다. AG층은반사 Image가없고스크래치특성이우수하며코스트 (cost) 에유리하나 Haze로인해선명도가떨어지는단점이있고, AG/AR 층은반사 Image가없고스크래치특성이우수하며주변외광이강할경우화질이우수하나 Haze로인해선명도가떨어지는단점이있고코스트에불리하다. 그리고 AR층은 Haze가없고선명도가좋으며주변외광이약할경우화질이우수하나반사 Image가있는단점이있다. 현재양산품으로주로사용되고있는반사방지층은 AR층이다. Asahi의일본등록특허제3770625호는자기수복성및내찰과상성을가지는수지로부터되는층과비결정성의불소중합체로부터되는반사방지층의구성및비결정성의불소중합체가불소지방족환구조를가지는중합체또는 perfluoropolyether인것을특징으로한다. Bridgestone의일본특허공개공보제13318205호는유기필름의표면에적어도최상층이고굴절률투명무기박막으로여겨진투명무기막과그투명무기막상에형성된비불소계유기박막으로구성되는반사방지막을형성하는것을특징으로한다. Bridgestone의일본특허공개공보제11142603호및제14200690호는유기필름의표면에고굴절률투명막과저굴절률투명막과의적층막으로되는반사방지막을형성하는것을특징으로하고있으며, Bridgestone의고굴절률과저굴절률적층막의구성은반사방지에큰효과가있는것으로알려져있다. - 184 -
그림 6-13 일본특허공개공보제 13318205 호 그림 6-14 일본특허공개공보제 11142603 호 Fujitsu의일본등록특허제3690608호는색순도향상기능과반사방지기능을동시에수행하는것에관한것으로, 400~500nm 및 600~700nm의각파장영역에있어서의분광투과율이각각 45~75% 의사이에있고, 500~600nm의파장역에흡수극대를가지는착색층을가지는구성을특징으로한다. - 185 -
그림 6-15 일본등록특허제 3690608 호 10 필터기판 11 제 1 의면 12 제 2 의면 21 제 1 의반사방지층 22 제 2 의반사방지층 30 착색층 50 칼라디스플레이 ( 칼라플라스마디스플레이 ) 100 광학필터 5. 복합기능 PDP 필터는앞서언급한전자파차폐, 근적외선차단, Orange 광차단, 외광반사방지및외부충격으로부터전면기판을보호하는기본적인역할을수행하고있으며, 필터의기능층을따로분리하여출원하는특허보다는기능층을모두포함한내용이출원이대부분이다. Fujitsu의일본특허공개공보제09145918호는플라스마디스플레이패널의전면에설치되어외광의반사를방지하는기능과플라스마디스플레이패널의발광색을보정하는기능과플라스마디스플레이패널보다방출되는근적외영역의선스펙트럼을차단하는기능과플라스마디스플레이패널보다누설되는전자파를차단하는기능을갖는필터를특징으로한다. Mitsui의일본특허공개공보제12221321호는투명한기판에가시광선영역에서선택흡수성을갖는색소만이도포된광학필터를특징으로하고있으며, 일본특허공개공보제14323861호는투명기체 (A), 도전성메쉬층 (B), 투광성점착재 (D) 및기능성필름 (C) 층으로구성된 C/A/B/D/C의층구성을가지는적층체및적층체에가압처리를가하는공정을포함하는필터제조방법를특징으로한다. - 186 -
그림 6-16 일본특허공개공보제 09145918 호 11 AR 코트층 12, 16 필터기재 13, 15 적외선필터층 14 전자파차단층 그림 6-17 일본특허공개공보제 14323861 호 (A) (B) (D) (C) Asahi의일본특허공개공보제15005663호는도전성필름과자기수복성을가지는수지층과비결정성의불소중합체로형성된반사방지피막을가지는반사방지막을적층하하고, 위구성재료중적어도하나는근적외선흡수제를함유하는것을특징으로한다. 일본특허공개공보제 15157018호는반사방지층과전자파및근적외선차단성을가지는금속을포함한투광성도전층과강화유리또는세미강화유리로된고강성투명기판과접착제층을차례로적층시켜고강성전면보호판에접착제층을개입된구성을특징으로한다. - 187 -
그림 6-18 일본특허공개공보제 15157018 호 반사방지층도전층 전극 고강성전면보호판 PDP PDP 본체 LG전자의한국등록특허제0516935호는패널의전면에직접증착되는적어도하나의증착막을포함하는전면필터를구비하는플라즈마디스플레이패널에관한것으로, 적어도하나의증착막이무반사막, 전자파차폐막및근적외선차폐막을포함하는것을특징으로한다. 그림 6-19 한국등록특허제 0516935 호 현재 PDP 필터는글라스필터에서필름필터의형태로기술동향이변화하고있으며, Pioneer와 LG전자에서필름필터를채용한제품을판매하고있다. 그러나최근의필터특허동향에서는필터가없는, 즉필터의기능층을 PDP의전면기판외부또는내부에직접형성하는것에관한것들이출원되고있으나, 이는전면기판에형성되어있는방전유지전극과의관계를고려하여방전유지시방전에미치는영향을분석할필요가있다. - 188 -
제 7 장 PDP 특허분쟁기술 PDP 특허분쟁이널리알려지기시작한것은 2003년삼성SDI와후지쓰의특허분쟁이후이지만그이전에국내에서후지쓰의 ADS 특허에대한특허무효소송이있었다. ADS 특허는한국특허등록공고제1995-0003979호 ( 미국대응특허제5,541,618호외다수 ) 로특허청으로부터특허결정을받았으나 97년삼성전관, LG전자, 오리온전기, 현대전자산업이공동으로특허무효심판을청구하여 2004년대법원으로부터무효판결을받아내기도하였다. 이후 2007년현재까지 5회의특허분쟁이발생하여 2건은크로스라이센스를체결하여일단락되었으나 3개의특허분쟁은분쟁이계속중이다. 1. 03년후지쓰와삼성SDI의특허분쟁 2003년후지쓰와삼성SDI는특허실시료협상을시작하였으나결렬되어삼성SDI가후지쓰의특허 9개에대한특허에대하여무효이거나침해하고있지않다는이유로소송을제기하였다. 후지쓰와삼성SDI의특허분쟁기술 후지쓰의특허 특징 비고 US 5,541,618 A ADS 구동방법 KR 1995-0003979 B US 5,724,054 A US 6,630,916 A US 5,661,500 A US 5,674,553 A US 5,952,782 A US RE 37,444 A US 5,663,741 A US 5,786,794 A ADS 구동방법 ADS 구동방법격벽측면에형성된형광체스트라이프격벽측면에형성된형광체스트라이프블랙매트릭스전체기록방전후소거펄스인가소거펄스의형상스캔전극구동회로 - 189 -
이중미국특허공보제5,541,618호, 제5,724,054호, 및제6,630,916호는 90 년후지쓰가최초로개발한 ADS(Address Display Separated) 구동방법에관한것으로한프레임을복수의서브프레임으로나누고, 각서브프레임에서는초기화기간, 어드레스기간, 및유지기간으로나누어지고각기간은모든셀에동시에적용되는등에관한기술을담고있다. 그림 7-1 US 5,441,618 미국특허공보제5,661,500호와제5,674,553호는 PDP의형광체가평면에만사각형형태로배치되어서측면에서볼때화면이보이지않는현상을발견하고광시야각을구현하기위해방전셀과방전셀을구분하는격벽의측면에도형광체를도포하여약 60 의측면에서도선명한화질을볼수있도록하고, 그제조방법으로방전셀에형광체를채운후열소성과정을거쳐형광체코팅층을형성하는점등을담고있다. - 190 -
그림 7-2 US 5,661,500 [ 종래기술 ] [ 이건발명 ] 미국특허공보제5,952,782호는표시라인과표시라인사이 (W2) 에형광체에외광이입사하면형광체로부터빛이발광하여화질이악화되는문제점을발견하고서표시라인과표시라인사이에검은색의필름 (45) 을배치하여외광이입사하더라도형광체의산란광을제거함으로써밝은곳에서도선명한화질을구현하는것을특징으로한다. 그림 7-3 US 5,952,782 [ 종래기술 ] [ 이건발명 ] 미국특허공보 RE 제37,444호로종래에는전체기록방전후어드레스기간에서벽전하를소거하면방전이일어나지아니하고벽전하를소거하지않으면방전이일어나는방법으로데이터를선택적으로기록하였으나, 방전은전극의인접영역으로부터원거리로퍼져나가므로특정방전셀의 - 191 -
방전개시전압이다르면남아있는벽전하량이달라오방전이생기는문제점이있다. 따라서, 이특허에서는전체기록방전후세폭소거펄스 (38) 를사용하여벽전하를소거한후어드레스기간에서어드레스전압과 Y전극의펄스를이용한방전으로벽전하를축적하면서데이터를선택적으로기록하는방법을제시하고있다. 그림 7-4 US RE. 37,444 [ 종래기술 ] [ 대표도면 ] 미국특허공보제5,663,741호는종래에초기화기간중사용하는세폭소거펄스또는광폭소거펄스는방전셀각각의방전지연시간이달라남아있는벽전하가일정하지않은점을문제점으로지적하고, 이를해결하기위해소거펄스로서일정한기울기로변화하는램프펄스를제안하고있다. 그림 7-5 US 5,663,741 [ 종래기술 ] [ 대표도면 ] 이외에미국특허공보제5,786,794호는종래스캔전극구동회로트랜지스터의필요내압이서스테인전압, 즉약 200V가필요하여소자비용이증가하는문제를지적하고있다. 종래기술은필요내압을낮추기위해구동 - 192 -
트랜지스터에저항을직렬연결하여트랜지스터에걸리는전압을낮추었으나이방법은전압의상승 / 하강속도가느려고속구동에부적합하다. 결국, 이특허에서는전원과구동트랜지스터사이에구동트랜지스터와병렬연결되며저항과트랜지스터로구성되는누설전류제어회로 (80) 를배치하여트랜지스터의필요내압을낮추면서도전압의상승 / 하강속도는변함이없는구동회로를제시하고있다. 그림 7-6 US 5,786,794 [ 종래기술 ] [ 대표도면 ] 2. 04 년마쯔시타와 LG 전자의특허분쟁 이분쟁은서로크로스-라이센스를체결하면서모든소송을취하하여공개된자료가없어분쟁의대상이된특허기술을알수가없다. - 193 -
3. 05 년마쯔시타와삼성 SDI 의특허분쟁 마쯔시타와삼성SDI의특허분쟁은협상과정에서삼성SDI의특허기술을마쯔시타가사용하고있다는주장을마쯔시타가인정하지않음으로인해발생했다. 따라서, 삼성SDI는마쯔시타가자사의특허기술 9건을침해하고있음을이유로소송을제기했고마쯔시타는이에대하여삼성SDI가 6 건의자사특허기술을침해하고있다며반소를제기했다. 마쯔시타가침해하였다고주장하는삼성SDI의특허기술 삼성 SDI 의특허특징비고 US 6,090,464 A US 6,256,001 B1 US 6,472,820 A US 6,670,774 A US 6,849,992 A US 6,954,188 A US 6,674,237 A US 6,828,731 A US 6,884,142 A 강화기판선택적리셋방법얼라인마크휴지기간열전도매체리셋전압의강하전극의금속 유전체혼합제조방법비발광영역의충전비발광영역의충전을위한제조방법 먼저, 미국특허공보제6,090,464호를살펴보면 PDP 패널의크기가증가하면서유리기판의두께가두꺼워지고무거워져유리기판의휘어짐이발생했다. 유리기판의휘어짐을방지하기위하여방전셀을 10개이상단위로묶어서 6각형또는 4각형의보강구조물을설치했다. 보강구조물은상호부착된 S형상으로만들어지고, 측면에서는전도성필름또는금속이부착되어전자파를차단하는역할을한다. - 194 -
그림 7-7 US 6,090,464 미국특허공보제6,256,001호는종래구동방법은이전서브필드에서방전되지아니하였던셀에서도리셋펄스에의해모두방전하면서콘트라스트가떨어지는문제점에주목하였다. 이를해소하기위하여이전서브필드에서방전된셀에서만선택적으로초기화하도록리셋기간중어드레스전극 (Am) 에는 0V, 유지전극 (X) 에 Vs(40V) 를인가한상태에서스캔전극 (Y) 에 Vw(180V) 를인가하여이전서브필드에서방전이발생한방전셀에서만선택적으로대향방전을발생시킨후소거펄스 (-Vk; -140V; E~G구간 ) 를인가하는것을특징으로하고있다. 그림 7-8 US 6,256,001-195 -
미국특허공보제6,472,820호는종래패널에는전면기판과배면기판을정확히결합시키기위하여원형또는사각형의얼라인마크가있었으나이는회로선의접합을고려하지않아회로의접속이어려운점에주목하였다. 이특허기술에는회로선 (51a, 61a) 정확한결합을위하여원형과막대형마크로이루어진얼라인마크 (80) 와얼라인마크부재 (70) 를배치하여회로선이정확히배치할수있도록편의를제공하는것을특징으로하고있다. 그림 7-9 US 6,472,820 미국특허공보제6,670,774호는프레임과프레임사이에휴지기간이길어지면프라이밍전하가소멸되어이후리셋방전이잘일어나지않는문제점을발견하고, 프레임과프레임사이에휴지기간이존재할때휴지기간과리셋기간사이에소정개수의서스테인펄스를인가하는리셋안정화기간 (RESET STABILIZATION PERIOD) 을삽입하고있다. 그림 7-10 US 6,670,774 [ 종래기술 ] [ 대표도면 ] - 196 -
미국특허공보제6,849,992호는 PDP 패널과샤시사이에방열시트를배치하였으나접착면이고르지못해공기층이형성되고방열이원활하지못한점에주목하고, PDP 패널 (20) 과샤시 (22) 사이에겔상태의열전도매체 (24) 를배치하고가압하여공기층없이패널, 열전도매체, 및샤시를밀착제조하는기술을보여주고있다. 그림 7-11 US 6,849,992 미국특허공보제6,954,188호는일반적인 PDP 구동방법은리셋전압이 380V 가량으로매우높아콘트라스트가낮고내압이높은소자가필요한점에주목하고, 이를해결하기위하여 1 리셋펄스의하강전압을부극성전압 (-Vn) 까지하강하여벽전하를축적하고, 2 스캔전극에리셋펄스를인가할때유지전극에음의바이어스전압 (-Vm) 을인가하여램프펄스의최고전압을낮추고, 3 서스테인기간에스캔전극과서스테인전극에 ±Vs/2 전압을교대로인가하는것을특징으로하고있다. - 197 -
그림 7-12 US 6,954,188 미국특허공보제6,674,237호는 PDP의전극이금속으로제조되어반사율이높아외광이반사되는문제점에주목하고, 금속및블랙매트릭스의재료를유전체와금속의혼합물로제조한다. 이때유전체와금속의혼합물을가열증착시킴으로써용융온도가낮은유전체가먼저증착되고용융온도가높은금속이뒤에증착되어유전체와금속의혼합비율이높이에따라점진적으로상승한다. 따라서, 외광의표면에서는유전체 (SiOx) 를잘투과하여반사율이낮아진다. 그림 7-13 US 6,674,237-198 -
미국특허공보제6,828,731호는일반적인 PDP 구조는최외측격벽 (23) 와프리트글래스 (22) 사이의공간 (21) 이비워져있어다른셀이방전할때오방전을일으켜오렌지빛을내는현상이발생한다. 이기술에서는최외측격벽 (33) 과프리트글래스 (22) 사이의영역 (31) 을격벽재료물질로충전하고, 배기구 (52) 를배치하여불필요한방전을예방하고있다. 미국특허공보제6,884,142호는이기술의제조방법에관한것이다. 그림 7-14 US 6,828,731 [ 종래기술 ] [ 대표도면 ] - 199 -
삼성 SDI 가침해하였다고주장하는마츠시타의특허기술 마츠시타의특허특징비고 US 5,876,542 A US 6,150,766 A US 6,268,890 A US 6,603,262 A US 6,633,285 A US 6,738,033 A Sand Blast 제트건전류피크값감소의사윤곽감소전극뒤틀림방지노이즈제거램프펄스 미국특허공보제5,876,542호는종래 PDP 셀에서격벽을형성할때 Sand Blasting 방법을사용하면격벽이직사각형이아닌볼록한형상이되는점을해결하기위하여서로다른압력으로분사하는 Sand Blasting Jet Gun을연결하여점차낮아지는압력으로수차례분사하여직사각형의격벽을형성하는것을특징으로하고있다. 그림 7-15 US 5,876,542 [ 종래기술 ] [ 대표도면 ] - 200 -
미국특허공보제6,150,766호는종래 PDP 구동방법은서스테인방전이모든라인에서동시에일어나서피크전류값이높아노이즈또는스위치소자의내압이높아야하는점을해결하기위하여서스테인기간동안서스테인전극을그룹화하고그룹별로서스테인방전펄스를지연시켜방전시점을분산시키는것을특징으로하고있다. 또, 안정적인소거동작을위하여스캔전극, 유지전극, 및어드레스전극중어느하나또는두전극에천천히증가또는감소하는펄스를인가하는소거펄스를예시하고있고, 이외에리셋펄스가스캔펄스와역극성인것을권리범위로설정해놓고있다. 그림 7-16 US 6,150,766 [ 피크전류값의분산 ] [ 소거펄스의형태 ] [ 리셋펄스의형태 ] - 201 -
미국특허공보제6,268,890호는 PDP 특유의의사윤곽을감소시키기위하여모든서브필드가하나의계조에대해최소 2개이상의서브필드조합을갖고, 이들중큰가중치를갖는서브필드는 off되고낮은가중치를갖는서브필드는 on되는서브필드를선택하는것을특징으로하고있다. 그림 7-17 US 6,268,890 미국특허공보제6,633,285호는에너지회수회로에서트랜지스터의스위칭동작으로 EMI 등고주파노이즈가발생하는점을해결하기위하여에너지회수회로의트랜지스터, 다이오드등소자에커패시터를병렬로연결하여고주파노이즈를감소시켜 30MHz 이상의노이즈를소거하는것을특징으로하고있다. - 202 -
그림 7-18 US 6,633,285 마지막으로미국특허공보제6,603,262호는유리기판위에투명전극과버스전극을순차적으로적하한후열소성또는기판을이동시키면이들의점착력이약해전극이뒤틀리거나박리되는점을해결하기위하여버스전극이투명전극보다더길게형성한후버스전극과유리기판이직접적으로점착되도록한다. 버스전극은투명전극보다유리기판과의점착력이뛰어나뒤틀림또는박리가잘일어나지않는효과가있다. 그림 7-19 US 6,603,262 미국특허공보제6,738,033호는리셋기간에충분한벽전하를형성하지못하면어드레스방전기간이길어지는점을해결하고자리셋기간에충분 - 203 -
한벽전하를형성하는방법으로램프펄스를제안하고있다, 램프펄스는스캔전극에 100V 이상방전개시전압이하로상승하는 A2구간, A2구간보다작은기울기로방전개시전압이상으로상승하는 A3구간, 방전개시전압이하로떨어지는 A5구간, A5구간보다작은기울기로하강하는 A6 구간으로구성되는전형적인형태이다. 그림 7-20 US 6,738,033 4. 06 년파이오니어와삼성 SDI 의특허분쟁 파이오니어는지난 2004년 NEC로부터특허권을인수하여 2005년부터삼성SDI와특허기술실시료협상을진행하여왔으나협상이결렬되어파이오니아가 2개의특허기술에대하여침해소송을미국텍사스연방법원에제기하였다. 삼성SDI가침해하였다고주장하는파이오니아의특허기술 파이오니아의특허 특징 비고 US 5,182,489 A 형광체및격벽의배치 US, JP US 5,640,068 A 유지전극쌍의형상 US, JP - 204 -
먼저, 미국특허공보제5,182,489호는두가지특징을가지고있다. 먼저, 초창기 PDP는형광체가표시면쪽에도포되어서방전셀에서방전이발생하여자외선이형광체의하측면을비추면형광체가발광하고, 발광한빛중상측면으로통과하는빛만표시면에서인식되므로형광체가두꺼우면빛이투과하지못하고얇으면발광하는빛의양이작아화면이어두워보인다. 이때형광체의두께를균일하게제어하는것은현실적으로어려우므로형광체를배면기판에배치하여상측면이자외선을받아가시광을발산하도록하여형광체의두께에관련없이일정한광을얻을수있는기술이다. 이특허에언급된다른기술은형광체를배면에배치할때유지전극이표시면에배치되고그중금속전극은가시광의투과를막으므로금속전극을격벽의폭내에설치하여금속전극이가시광의투과를방해하지않는배치를특징으로하고있다. 그림 7-21 US 5,182,489 [ 종래기술 ] [ 대표도면 ] 두번째로미국특허공보제5,640,068호는유지전극쌍의형태에관한발명으로화면이커지면표시라인이많아져전류를공급하기위한전극의폭이확대되어야한다. 그러나전극의폭이확대되면전류소비가늘어나는등의문제가있다. 따라서, 이특허에서는표시라인이폭이좁고라인끝까지뻗어있는본체부 ( 약 100μm ) 와방전셀내에서표시방전을일으키는인접표시라인을향하여돌출되어있는돌출부 ( 약 700μm ) 를가지는것을특징으로하고있다. - 205 -