PDP는 광 발광(PL) 원리를 이용한 자발광형, 직시형 디스플레이입니다. 먼저 플라즈마를 이야기하여 보죠. 플라즈마는 방전에 의해 생성되는 전하른 띈 기체로, 고체, 액체, 기체에 이은 제4의 물질 상태로 불리기도 합니다. '플라즈마'란 말의 어원은 그리스어로, 1930년경 미국의 랭뮤어가 전기 방전 실험을 할 때 발생한 이온화된 기체에 붙인 이름입니다. 기체에 더 큰 에너지를 받아서 만들어지죠. 우주는 대표적인 플라즈마의 생산 기지이며, 번개, 오로라, 코로나 현상 등이 플라즈마 현상에서 비롯된 것입니다. 일상 생활에서 볼 수 있는 네온사인, 형광등과 같은 방전관도 플라즈마를 이용하죠. PDP는 주로 후막 기술을 이용하여 제작되며, 두 장의 유리 기판 사이에 RGB 각각의 부화소들을 위한 공간이 있습니다. 공간 내를 채우는 방전 기체는 네온(Ne), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 혹은 이들의 혼합 기체가 바탕 기체(buffer gas)가 되며, 자외선 발생을 위하여 소량의 제논(Xe, 크세논)을 첨가합니다.
PDP에는 직류형(DC PDP)과 교류형(AC PDP)이 있는데, 직류형의 경우 전극이 방전 공간에 노출되어 있어서 이온 충격으로 손상이 일어나 수명이 짧은 반면에 교류형은 전극이 유전체로 덮여 있어서 수명이 길다는 점이 큰 차이입니다. 교류형 PDP는 대향전극형과 면방전형으로 구분이 되는데, 이중에서도 면방전형이 주류를 이루었습니다. 여기에서는 교류형, 면방전형 PDP를 대상으로 구조와 원리를 설명하겠습니다.
부화소 내의 위쪽 기판에 유지(sustain) 전극과 주사(scan) 전극을 나란히 배치하고, 아래쪽 기판에는 신호(address) 전극을 수직으로 교차 합니다. 윗쪽 기판쪽으로 빛이 나오므로 상부 전극으로는 투명 도전막을 사용하지만 전도도 확보를 위해 투명 전극의 양쪽 끝부분에 알루미늄이나 크롬/구리/크롬으로 버스(bus) 전극을 형성하고, 이 위에 유전층과 MgO 보호막을 코팅합니다. 보호막은 이온의 스퍼터링으로부터 유전층을 보호하는 역활을 합니다. 그리고, 하부 기판의 신호 전극 위에도 유전체를 도포하죠. 따라서 방전은 유전층으로 덮여진 전극들 사이에서 일어나고, 또 유지됩니다. 특히, 방전 전극간의 갭 전위는 외부 인가 전위와 유전체의 벽에 쌓인 전하들로 인한 벽 전위의 합으로 주어지며, 따라서 방전 유지 전압이 개시 전압보다 작게 됩니다. 이를 PDP의 동작 여유, 혹은 기억 특성이라고 합니다. 이와 같이 PDP의 부화소 공간 안에는 기체를 방전시켜 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마를 유지시킬 수 있는 전극들이 구성되어 있습니다. 그리고 전기적인 절연을 위한 절연체, 전극을 보호하기 위한 보호막, 방전 공간을 구분하는 격벽, 그리고 플라즈마로부터 발생한 자외선(UltraViolet ray, UV)에 의하여 여기, 발광되는 RGB 형광체가 코팅되어 있습니다.
PDP의 동작 과정을 살펴보면, 개별 부화소 내부의 형광체에 따라 색상이 정해지며, 각각의 부화소는 상부와 하부 전극 간의 개별 방전을 거쳐 발광하게 됩니다. 먼저 안정화 단계로, 주사/유지 전극과 유지 전극들 사이에 전압이 인가되고, 예비 방전이 진행되는데, 이는 형광등의 안정화 과정과 유사합니다. 다음으로, 데이터 전극의 전압 인가로 선택된 화소에 벽 전하(wall charge)를 형성하고, 이어서 발광 및 유지 단계에서는 유지 전극과 주사 전극 사이에 교류 전압을 인가하여 방전 후 발광을 유지시킵니다. 이 때 인가되는 교류 전압의 주파수가 발광 회수를 조절, 휘도를 결정하죠. 끝으로, 소거 단계에서는 인가 전압을 낮추어 플라즈마가 소실시키면서 벽전하도 제거됩니다.
PDP와 관련된 개념은 18세기에 인공적으로 가스 방전을 유도할 수 있으면서부터 시작되었고, 1927년 미국의 벨 시스템의 단색 PDP TV가 세계 최초의 PDP인데, 이는 1929년에 개발된 CRT TV보다도 2년이 앞섭니다. 그리고 1954년에 직류형 PDP가 발명되었고, 마침내 1964년 미국 일리노이 대학교에서 교류형 PDP를 발표합니다. 당시에는 CRT의 라인 스캔, 발광 방식으로 모니터 상에 정지 화면을 유지하기 위해서 비싼 메모리와 스캐너가 필요하였고, 따라서 CRT의 대안으로서 메모리 기능이 있는 디스플레이를 개발하는 것을 목표로 연구가 진행되었다고 합니다. 그리고, 1966년, 매트릭스형의 초기 모델이 소형 컴퓨터용 모니터로 상용화된 바 있으나, 이후 반도체 기술의 진보에 따른 CRT용 메모리와 스캐너의 가격이 낮아지면서 경쟁력을 상실하였죠. 이후 CRT와 비교할 때, 얇은 두께, 높은 시인성, 넓은 시야각 등의 장점이 있어서 거치형 오락기, 계산기, 계측기, 소형 TV 등에 일부 활용되기 시작하였습니다. 이후 CRT가 대형화 및 평판화에 어려움을 겪고, 평판 디스플레이(FPD)에 대한 시장의 요구가 커지면서, PDP는 본격적으로 개발되었고, 1992년에 일본의 후지쯔에서 21인치 칼라 PDP TV를 세계 최초로 개발, 상용화에 성공하였습니다. 이를 시작으로 1995년, 42인치 칼라 PDP TV의 상용화, 그리고 오리온 전기, 삼상, LG 등, 한국 기업들의 적극적인 합류가 이어지면서 2008년에는 150인치의 UHD(Ultra High Definition)급 PDP TV를 시연하는 등, LCD와 평판 디스플레이 시장에서 경쟁하였습니다. 그러나 주요 경쟁 제품인 40인치 이상의 디스플레이에서 LCD 대비 낮은 해상도, 높은 전력 소비, 상대적으로 큰 부피와 무게 등으로 인해 경쟁력을 잃어 갔고, 결국 2013년 이후 전세계적으로 생산을 중단하기에 이르렀습니다.
이러한 PDP는 화소 내 가스 방전 발광 방식으로 인해, 화면이 커질수록 휘도를 높일 수 있었습니다. 일반적으로 40인치 이하에서는 LCD 대비 어두우며, 40인치 이상에서는 대등하거나 더 밝게 만들 수 있었습니다. 또한 화소의 크기가 휘도와 비례하고, 해상도와는 반비례 하게 되어 해상도를 충분히 올리기가 어려운데, 이를 해결하는 방안이 개발되었으나 가격 상승으로 이어져 경쟁력 상실의 원인이 되고야 말았습니다. 이와 함께 플라즈마에 의한 형광체 열화, 수명 문제가 있었으며, 지금의 OLED와 유사한 번인(burn-in) 현상이 나타났고, 소비 전력에서도 자유롭지 못하였으며, 더구나 고전력 회로를 비롯한 화상 데이터 유지 회로, 메모리 회로 등 회로부의 가격 부담이 존재하였죠. 이제는 떠나가고 있지만, 특히 TV 시장에서 CRT가 휘청거리는 데에 결정적인 역할을 하였으며, 또한 1990년대말부터 2000년대 초까지 10여년간을 이어졌던 LCD와의 경쟁은 멋지고 인상적이었습니다. 승자인 LCD가 QLED로 진화를 하여, 똑같은 경쟁을 OLED와 이어가고 있다는 점이 흥미롭습니다.
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# 더! 생각해보기
a. 기체에서 공기와 플라즈마는 어떻게 다를까. 그리고, 우리의 일상에서 플라즈마는 어떻게 이용될까
b. PDP는 어떤 특징과 장점들이 있었을까
c. PDP는 LCD와의 경쟁에서 왜 져야만 했을까. 이기거나 혹은 공존할 수는 없었을까
# 수식과 이론, 퀴즈
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