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교류형 플라즈마 디스플레이 패널(AC PDP)에서 플라즈마 방전은 각 전극 사이에서 인가되는 전압이 방전 개시전압 이상이 되면 발생한다[1]. AC PDP는 일반적으로 세 개의 전극으로 구성되어 있으며 각각 따로 전압이 인가되는 구동회로를 갖고 있다[2]. 이 구동회로에 의해 만들어진 파형에 의해 셀 내부에서 방전이 발생하고 벽전하라고 불리는 전하들이 전극 가까운 유전체 층에 형성된다[3]. 이 벽전하는 전극 상호간에 전위차를 갖고 있으므로 셀 내부의 전압이라고 생각하면 된다. 일반적으로 방전을 발생시키기 위해서는 높은 전압을 지속적으로 발생시켜야 하지만, AC PDP는 셀 내부에 존재하는 벽전하를 이용하기 때문에 낮은 전압으로도 방전이 발생할 수 있다. 다시 말하면, 셀 내부에 벽전하를 형성시켜서 방전 개시전압을 낮출 수 있으며 선택된 셀에서만 방전이 발생하게 할 수 있는 기억효과도 얻을 수 있다[4]. 그러나 셀 내부에서 낮은 전압으로도 방전이 발생할 수 있는 정확한 양의 벽전하를 형성시키고 소거시키는 것은 매우 어려운 일이다. 만약 외부에서 전압을 인가하여 방전개시 전압을 측정한다면 간접적으로 벽전하의 양을 유추할 수 있다[5].

두 개의 전극만 존재할 때, 두 전극 사이에 벽전하가 없을 때와 있을 때의 방전개시 전압들을 측정한 후 두 전압을 비교한다면 내부에 쌓인 벽전하에 의한 전위차를 계산할 수 있다. 그러나 AC PDP는 세 개의 전극을 가지고 있으므로 좀 더 복잡한 관계를 가진다. 세 전극간의 전압차를 표시하려면 세 개의 축을 가진 3차원적으로 표시를 해야 하기 때문에 그래프가 복잡해진다. 이를 2차원적으로 표시하기 위해서는 하나의 전극을 기준으로 다른 두 개 전극과의 전압차를 각각 수평 및 수직축으로 사용하면 된다. 문턱 전압 폐곡선(Vt closed curve)은 세 전극의 여러 가지 전압의 조건에서 하나의 전극을 기준으로 측정된 방전 개시전압을 표시한 그래프다[6][7].

문턱 전압 폐곡선을 측정하는 방법은 하나의 전극이 방전에 관여하지 않도록 중간전압을 유지한 상태에서, 다른 하나의 전극에 전압을 경사파 형태로 인가하고 나머지 하나의 전극과 방전이 발생하기 시작한 위치에서의 전압을 그래프에 각각 표시하는 것이다[8]. 하나의 그래프를 그리기 위해서는 일반적으로 5~10V 간격으로 측정되기도 하나 정밀한 표시를 위해서는 1V 간격으로 측정할 수도 있다.

이전 방전에 의해 발생된 벽전하의 양을 확인하기 위해서는 그대로 측정하면 되지만, 새로운 구조 또는 기준 폐곡선 측정 등의 이유로 벽전하가 없는 상태의 패널에서 방전 개시전압을 정확히 측정하기 위해서는 셀 내부에 남아있는 벽전하들을 소거시켜야 한다. 가장 효과적인 소거 방법은 높은 전압을 인가하여 강한 플라즈마 방전과 자기소거 방전을 발생시키는 것이다. 전압이 인가되었을 때 발생된 강한 플라즈마 방전에 의해 많은 벽전하들이 쌓이고, 전압이 접지로 내려갔을 때 쌓여진 벽전하들끼리 저절로 발생하는 방전이 발생하는데 이것이 자기소거 방전이다. 또한 셀 내부에서 강한 방전이 발생하면 벽전하뿐만 아니라 프라이밍 입자들도 일정시간 남아있게 되고 그것들은 측정에 영향을 끼친다. 그러므로 방전 개시전압을 검출하기 이전에 적절한 유휴시간에 의해 셀 내부에 남아있는 프라이밍 입자들을 소실시켜야 한다.

본 논문에서는 먼저 문턱 전압 폐곡선의 정의와 측정 방법에 대해 자세히 설명하였다. 검출 이전 단계에서 초기에 큰 방전을 발생시키기 위한 전압의 높이의 변화와 그 후 전압이 인가되지 않는 유휴시간의 변화에 따른 문턱 전압 폐곡선들을 각각 측정하였다. 측정 결과를 바탕으로 셀 내부의 벽전하 또는 프라이밍 입자들이 전압 높이와 유휴 시간에 의해 얼마나 사라지는지를 조사하였다.

그림 1은 실험에 사용된 세 개의 RGB 셀을 가진 AC PDP의 구조를 보이고 있다. 그림에서 상판에는 두 개의 전극이 나란히 배치되어 있으며, 각각 유지 (X) 및 주사 (Y) 전극으로 불린다. 이 전극들은 버스(Bus) 전극이라고도 불린다. 그리고 각 버스 전극에서 중앙 부분에 투명 전극인 ITO가 넓게 도포되어있다.

Fig. 1. 
Schematic diagram of AC PDP with three electrodes

버스 전극은 불투명하지만, ITO 전극은 투명하므로 셀 내에서 발생된 빛을 가리지 않고 상판에서 두 전극 사이의 방전이 쉽게 발생하도록 전극의 간격을 가깝게 설계할 수 있는 장점이 있다. 상판에서 마지막으로 방전 공간에 직접 접하는 부분인 유전체 층은 전극을 노출시키지 않고 방전에 의한 손상으로부터 보호하는 역할을 한다. 하판에서는 기입 전극(W)이 상판의 두 전극과 수직 방향으로 나열되어 있으며 색상마다 각각 격벽으로 분리된다. 기입 전극 위에 빛의 삼원색인 빨강, 초록, 파랑색의 형광체로 도포되어 있으며 셀 내부에는 일반적으로 Ne-Xe 혼합 가스가 사용된다.

표 1은 본 실험에 사용된 패널의 사양을 보이고 있다. 상판에서 버스전극의 폭, ITO 전극의 폭, 두 ITO전극 사이의 간격이 기술되었고, 하판에는 기입 전극의 폭, 격벽의 높이, 격벽의 폭을 나타내고 있다. 패널 내부의 혼합 가스는 Ne(93%)-Xe(7%)이 사용되었다.

교류형 플라즈마 디스플레이 패널에서 전극의 개수는 그림 1과 같이 세 개이고, 외부 전압에 의해 셀 내부에서 방전이 발생하면 벽전하가 각 전극에 있는 유전체 또는 형광체 층에 형성된다. 셀 내부의 벽전하는 다음 방전에 도움을 줄 경우도 있고 없애야할 필요가 있을 경우도 있으므로 정확한 양과 극성을 알아야만 방전의 제어가 가능하다.

문턱 전압 폐곡선은 세 개의 전극 사이의 방전 개시전압을 2차원으로 측정한 곡선이므로 수평축과 수직축의 레벨은 그림 2(a)에서와 같이 하나의 전극을 기준으로 다른 전극들과의 전압차를 의미한다. 여기서는 Y 전극이 기준이 되므로 X 전극과의 전압차가 수평축이고 W 전극과의 전압차가 수직축이다. 즉, 수평축은 X 에서 Y 전극 사이의 전압차(V_WY)를 가리키고 수직축은 W에서 Y 전극 사이의 전압차(V_WY)를 가리킨다. Y 전극을 기준으로 X와 W 전극에 전압을 인가하여 방전이 발생할 때의 전압들의 값을 그래프에 표시하고 선으로 연결하면 그림 2(b)와 같은 그림이 완성된다.

Fig. 2. 
Voltage difference in cross-sectional view of AC PDP (a) and schematic diagram of Vt closed curve (b)

그림 2(b)에서 육각형 모양의 선의 내부 영역은 방전이 발생되지 않는 전압의 상태이고, 외부 영역은 방전이 발생되는 전압의 상태를 의미한다. 육각형의 모양에서 I 부분은 X와 Y 전극 사이의 전압은 그대로 두고 W 전극의 전압만 올렸을 때의 방전 개시전압을 측정하여 표시한 곳이며, II 부분은 W와 Y 전극사이의 전압은 그대로 두고 X 전극의 전압만 낮춰가면서 측정된 방전 개시전압이다. 나머지 부분들도 같은 방식으로 측정된다.

그림 3은 문턱 전압 폐곡선을 측정하기 위하여 세 전극에 인가되는 전압 및 예상 광파형을 도시한 것이다. 측정파형은 소거, 유휴, 검출 기간으로 나누어져 있다. 각 전극 사이의 방전 개시전압을 검출하기 위해서는 먼저 내부에 남아있는 벽전하와 프라이밍 입자들을 소거시켜서 셀 내부에는 아무것도 남아있지 않게 해야 한다. 소거 기간에는 이전 단계에서 발생한 벽전하들을 강한 방전을 이용하여 소거시켜주는 기간이다.

Fig. 3. 
Applied voltage to three electrodes and expected light waveforms to draw threshold voltage closed curve

처음의 X와 W 전극에서의 상승 경사파는 약방전을 발생시켜 이전 상태에서 셀들마다 서로 다른 벽전하들의 양을 동일한 상태로 만들어주는 부분이다. 이후 Y 전극의 높은 사각파형은 강한 플라즈마 방전을 발생시켜서 셀 내부에 벽전하를 많이 쌓고 다시 접지 전압으로 내려갈 때 많은 벽전하에 의해 저절로 방전이 발생하는데 이것을 자기소거 방전이라고 한다. 외부 인가전압 없이 각 전극에 쌓인 벽전하들 사이에 발생된 방전에 의해 벽전하들이 스스로 소거된다.

또한 강한 방전에 의해 셀 내부에는 수많은 프라이밍 입자들이 여전히 남아있는데, 유휴 기간은 발생된 프라이밍 입자들이 저절로 사라질 때까지 아무것도 하지 않는 시간을 의미한다. 검출 기간에서는 세 전극에 전압을 인가하여 방전이 발생하기 시작하는 지점에서 각 전압을 측정하고 그 위치를 그래프에 표시한다.

그림 4(a)는 소거 기간에서 인가된 전압과 광파형을 오실로스코프 장비로 측정한 그림이다. 위쪽의 삼각 및 사각 파형은 X와 Y 전극에 각각 인가된 전압이고, 아래쪽의 파형은 전압에 의해 발생된 광파형을 나타낸다.

Fig. 4. 
Measured voltage and light waveforms during erase (a) and detecting (b) period

X 전극에 삼각 파형이 인가될 때는 경사파에 의한 약한 방전이 발생하므로 측정된 광파형에는 표시되지 않았지만, Y 전극에 사각 파형이 인가될 때는 강한 방전이 먼저 발생하고 형성된 벽전하에 의해 다시 한 번 자기소거 방전이 발생하였다. 이 자기소거 방전에 의해 벽전하가 대부분 제거된다.

그림 4(b)는 검출 기간에서 인가된 전압과 광파형을 측정한 그림이다. 그림 4(a)와 측정된 광파형의 형태가 다른 이유는 스케일이 다르고 그림 4(b)에서는 오실로스코프 장비에서 평균치로 측정되었기 때문이다. 경사파가 인가될 때 광파형을 관찰하여 처음 방전이 개시되기 시작하는 시간이 검출 위치가 되고 그 시점에서의 각 전압들을 읽어서 그래프에 표시하면 된다. 그 후 전압들을 일정간격으로 변화시키면서 계속 측정하고 그래프에 표시하면 문턱 전압 폐곡선이 완성된다.

AC PDP의 문턱 전압 폐곡선을 측정하기 위한 그림 3과 같이 인가되는 고전압과 유휴기간의 조건에 의해 벽전압과 프라이밍 입자들이 완전히 사라지지는 않을 수도 있다. 그러므로 벽전압과 프라이밍 입자들이 완전히 제거되는 조건을 찾아야 한다. 전압과 유휴시간을 변화시켜서 문턱 전압 폐곡선을 측정한 뒤 만약 그래프가 더 이상 변화가 없다면 그 조건이 최적의 조건이 된다.

그림 5(a)는 유휴 기간을 200μs로 고정했을 때 소거기간 동안 전압의 높이를 변화시켰을 때 측정된 문턱 전압 폐곡선의 그래프다. 전압은 320에서 400V 까지 측정되었으며 그림에서 보이는 것과 같이 360V 이상부터는 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 다시 말하면, 높은 전압에 의해 강방전이 발생하고 벽전하가 많이 쌓인 후에, 접지 전압이 되었을 때 다수의 벽전하에 의한 자기소거 방전이 발생하고 대부분의 벽전하가 소실된다. 반대로 전압이 320V의 조건에서는 셀 내부에 벽전하가 일부 남아있기 때문에 360V의 그래프와 위치가 조금 다르다. 그림 5(b)는 소거기간 동안 전압의 높이가 360V일 때 유휴기간 동안 시간을 변화시켰을 때 측정된 문턱 전압 폐곡선의 그래프이다.

Fig. 5. 
Vt closed curves by changing of voltages during erase period and time during idle period

유휴시간은 100에서 300μs 까지 변화시켰고 200μs 부터는 큰 변화가 없음이 측정되었다. 즉, 200μs 이상부터는 셀 내부의 프라이밍 입자도 재결합에 의해 거의 사라지므로 문턱 전압 폐곡선도 큰 변화가 없다. 반대로 100μs에서 문턱 전압 폐곡선이 다른 경우보다 작은 이유는 셀 내부에 프라이밍 입자들이 많이 남아서 방전이 쉽게 발생하여 전체적인 방전 개시전압이 낮아지기 때문이다.

그 결과 본 실험에서 사용된 패널의 조건에서 문턱 전압 폐곡선을 그릴 수 있는 최적의 조건은 소거 전압이 360V 이상이고 유휴 시간은 200μs이상이다. 패널의 제작 조건에 따라 방전 개시 전압이 달라지기 때문에 Vt 폐곡선의 기준 조건은 없으며 만약 패널의 조건이 달라진다면 다시 측정되어야 한다. 전압의 측정 간격이 40V이고 시간의 변화가 100μs 간격인 이유는 변화의 경향을 알아보기 위하여 적절한 간격을 채택하였고, 그래프가 많으면 구별이 어렵기 때문에 3개의 조건씩만 그림에서 표시되었다.

문턱 전압 폐곡선은 AC PDP에서 세 개의 전극 사이의 방전 개시전압을 2차원적으로 도시한 그림이고 셀 내부에서 벽전하 상태를 연구하고 분석하는데 큰 도움을 준다. 문턱 전압 폐곡선을 그리기 위해서는 이전 방전에 의한 전하들을 소거시키는 과정과 강한 방전에 의해 발생된 프라이밍 입자들이 사라지게 하는 단계가 필요하다. 초기화 단계에서 높은 전압에 의해 강한 방전과 자기소거 방전이 발생하여 셀 내부의 벽전하가 제거된다. 그 후 발생된 프라이밍 입자들이 사라지게 하기 위하여, 적당한 유휴시간이 필요하다. 실험에 사용된 패널의 조건에서는 초기의 전압이 360V이고 유휴 기간이 200μs일 때, 셀 내부의 벽전하 및 프라이밍 입자들이 대부분 제거되었다.