음극선관(Cathode Ray Tube)은 직시형, 자발광 디스플레이로서, 음극으로부터 발생, 가속되는 전자의 에너지를 이용하는 음극 발광(CL) 원리로 동작합니다. 음극선관은 음극으로부터 전자선을 발생시키는 진공관이죠. 진공관의 시작은 패러데이로부터 비롯되는데, 그는 진공 내에서 전기 현상을 연구하기 위해 유리병을 코르크로 막고 금속핀을 꽂아서 진공관을 만들었습니다. 다음으로 독일의 가이슬러는 유리병의 양쪽 끝에 알루미늄 전극을 만들고, 두 전극 사이에 전압을 걸어 방전을 시켜 유리병 안의 기체의 압력과 종류에 따라 방전 색깔이 달라지는 가이슬러관을 만들었죠. 그리고, 1870년경에 영국의 물리학자, 윌리엄 크룩스는 전기 방전관인 크룩스관을 발명하였고, 이는 톰슨에 의해 음극선이 전자들로 이루어졌다는 사실의 발견, 그리고 나아가서는 카를 브라운의 CRT 발명에 기여를 하게 됩니다.
따라서 음극선관은 음극(Cathode)에서 열방출된 전자들의 빔, 즉 선(Ray)이 가속되면서 형광체와 충돌하여 빛을 내는 관(Tube), 즉, CRT라는 명칭이 특징을 함축하고 있습니다. 즉, 음극으로부터 열 에너지로 방출된 전자들은 전자총을 통과하면서 집속되어 전자선이 형성되고, 이는 가속화되어 형광체 쪽으로 진행, 충돌하여 형광체를 여기, 빛을 발생시키게 됩니다. 단색(흑백) CRT는 한 개의 전자선으로 작동되고, 칼라의 경우 빛의 3원색인 빨강(Red, R), 초록(Green, G), 파랑(Blue, B) 형광체 부화소(sub-pixel)들에 대하여 각각 하나씩, 세 개의 전자빔과 전자총을 필요로 합니다. 각각의 전자선들은 형광체가 도포된 화면의 한쪽 모서리에서 시작하여 대각선 방향의 반대쪽 모서리까지 주사(scanning)을 하면서 RGB(Red Green Blue) 부화소들을 여기시켜야 하므로 수평과 수직 방향으로 꺾여야 하며, 이 역할을 2개의 편향 요크(deflection yoke)가 담당하고 있습니다. 따라서 전자선이 다른 입자들과 충돌하는 것을 막기 위해 내부는 진공으로 유지되며, 전자선의 가속과 주사 거리 확보를 위해 일정 거리, 두께를 유지하여야 하는데, 이는 무거운 무게, 큰 부피의 원인이 됩니다. 아울러, CRT는 사용 목적에 따라 두 종류로 구분이 됩니다. 즉, 정지 영상이 많고, 밝기보다는 해상도가 요구되는 모니터용 CDT(Color Display Tube), 그리고 동영상 위주로 해상도보다는 밝기를 우선시하는 CPT(Color Picture Tube)로 나누어지죠.
각 전자의 여행을 떠나면서 구성부별로 특징을 요약해보죠. 음극으로는 안정성이 높고 일함수가 낮은 금속 산화물을 사용합니다. 칼륨(K), Li(리튬), 혹은 나트륨(Na) 등의 산화물이죠. 이로부터 열 방출된 전자들은 진공관의 그리드에 해당하는 여러 전극들을 통과하면서 전자선으로 모여, 전진하게 되며, 마지막 전극인 양극을 통과하면서 가속이 됩니다. 여기까지를 전자총이라고 합니다. 즉, 전자가 장전되어 직선으로 발사되는 부품이죠. 전자총을 떠난 전자선은 편향 요크 만나게 됩니다. 전자선을 상하 좌우로 휘게 하는 부품으로 주로 자기장을 이용하며 수평용 코일과 수직형 코일, 2세트로 구성됩니다. 편향된 전자선은 진공 내를 가로질러서 쉐도우 마스크의 작은 구멍들을 통과하며 원하는 형광체(단색의 경우 화소, 칼라의 경우 RGB 부화소 중의 하나)에 이르게 됩니다. 전자와 닿은 형광체의 표면에는 얇은 알루미늄 막이 코팅되어 있는데, 이는 에너지가 약한 전자들을 흡수하고, 또한 뒤로 나오는 빛을 앞으로 반사하는 역할을 합니다. 이 알루미늄 막을 뚫은 전자는 형광체와 충돌을 하고, 그 에너지로 인해 빛이 만들어집니다. 형광체에 이르지 못하고 쉐도우 마스크에 가로 막히거나 알루미늄 막에 흡수된 전자는 전자총으로 되돌아와서 다시 전자선으로 만들어지죠.
CRT는 1897년에 최초로 개발된 3극 진공관 모델의 디스플레이로서, 발명자는 독일의 카를 브라운 교수로 그의 이름을 따서 브라운관이라고도 불리며, 이의 공로로 노벨 물리학상을 받습니다. 이후 산화물 음극이 개발되어 작동 전압을 현저히 낮추고, 포커싱 방식이 발전되면서 TV에 응용할 수 있게 되어, 미국의 RCA(Radio Corporation of America)가 중심이 되어 1939년, 뉴욕 박람회에서 최초의 TV를 선보였으며, 뒤를 이어 1941년에 TV 방송이 시작되는 등 활발한 진전을 보였습니다. 제2차 세계대전 중에는 레이더 용으로 사용되면서 기술이 한층 진보되었으며, 전쟁 종료 후 TV 방송이 더욱 급속히 보급되는 계기가 됩니다. 한국의 방송, TV의 역사를 시작하고 이끈 CRT, 그 역사를 좀 더 알아볼까요? 1960년대로 돌아가 보죠. 1961년에 지상파 방송사인 KBS가 개국을 하면서 TV 방송의 시대가 열리게 됩니다. 금성사(LG 전자의 전신)는 1960년대 초부터 CRT TV의 개발을 시작하고, 1966에 마침내 국산 CRT TV가 생산, 출시됩니다. 1970년대에 들어서면서 LG와 삼성에서 CRT의 양산이 본격화되죠. 이후 CRT는 포터블 TV, 투사용 기기, 계측기나 컴퓨터 등의 모니터 등 디스플레이를 필요로 하는 모든 분야로 확대 적용됩니다. 1980년대 중반부터는 두께와 무게를 줄이고 화면을 평탄화시키는 작업이 진행되었으며, 20세기 후반과 21세기 초반까지 화질과 두께, 모양에서 점진적인 진화를 합니다. 그러나, 두께와 무게를 줄이는 데에 분명한 한계가 있고, 높은 에너지를 갖는 전자들의 충돌로 인한 x-ray 발생 등의 우려가 겹치면서, 1990년대부터 등장하기 시작한 FPD(평판 디스플레이)인 PDP, 2000년대 초, 중반에 연이어 등장하는 LCD에 의해 역사의 뒤안길로 사라지게 되죠.
최초의 디스플레이로서 반세기 이상을 풍미한 CRT. 지금은 생산하는 공장도 없고, 일부 남은 기기들만이 애호가들에 의해 TV, 모니터, 오락기 등에서 가끔 보여지고는 있지만, 이제는 추억의 디스플레이입니다. 부피와 무게 부담감에 더하여 높은 전압, 전력 소모와 발열, 눈이 느끼는 피로감, 재활용과 폐기물 처리가 어렵고, x-ray 차단을 위한 유해 물질이 일부 있을 수 있으며, 고주파 소리, 정전기, 내파(impulsion) 우려가 있는 등, 여러 장애 요인으로 인하여 앞으로도 우리에게 돌아올 일은 없을지라도 7080 세대의 어린 시절의 꿈을 보여주는 디스플레이로서 기억될 것입니다.
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# 더! 생각해보기
a. 스스로가 전자가 되어, 브라운관(CRT) 안에서 시작부터 끝까지 경로와 행동을 묘사해보자
b. 흑백 브라운관에 비하여 컬러 브라운관에는 어떤 부분과 어떤 기능이 추가되어야 할까
c. 브라운관의 두께가 더 얇아질 수 없는 이유는 무엇이며, 그래도 가능한 얇게 하려고 어떤 노력을 더 하였을까
# 수식과 이론, 퀴즈
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