PDP 방전에 따른 표면변화

이기형, 소현, 김현철, 배성렬, 문세기, 김영채

한양대학교 화학공학과

Changes of surface by discharge in PDP

Ki Hyung Lee, Hyun Soh, Hyun Chul Kim, Seong-Youl Bae, Sei-Ki Moon, Young Chai Kim

Department of Chemical Engineering, Hanyang University

서 론

PDP(Plasma Display Panel)는 가스 방전 시 수반되는 자외선에 의한 형광체 발광을 이용한 정보표시소자로서, 현재 제안된 평판표시소자 비하여 대형화의 구현이 용이하여 차세대 벽걸이형 고선명 TV로 각광 받고 있다. 그러나 진정한 차세대 TV로 상품화되기 위해서는 휘도 향상, 효율 향상 및 수명의 향상 등의 개선해야 할 많은 문제점을 가지고 있다. 또한 PDP 방전 시 발생하는 여러 가지 불순물들이 PDP의 휘도, 효율에 악 영향을 끼치는데, PDP 구조상 MgO 보호막과 형광체는 방전 가스와 직접 접하여 방전의 영향을 받게 되므로, 불순물을 제공하는 주요 인자가 될 수 있다. 이러한 불순물에 의한 표면 변화를 막기 위해, PDP 제조 업체에서는 방전 가스를 주입한 후, 상당 시간 방전시켜 표면을 안정화시키는 에이징 공정을 행하고 있다. 근래에 업체나 학계에서는 이런 불순물을 제거하기 위해 패널을 진공에서 봉합하는 공정과 패널을 상당시간 방전시켜 가스를 배출시킨 다음 새로운 가스를 주입하는 공정 등의 연구가 진행중이다. 이와 같이 PDP 방전시 발생되는 불순물은 PDP 성능에 크게 영향을 끼치므로, 본 연구에서는 새롭게 구성한 In-situ discharge system에서 불순물의 종을 파악하고, PDP 방전시 상판과 하판의 변화를 살펴보고자 한다.

실 험

1.실험 장치

봉합패널을 분석할 때 대기 중에서 분리한 시편은 분석 신뢰성의 큰 한계가 있으므로, 청정상태에서 해체하여 분석장비로 이송할 수 있는 챔버를 구성하였다. 제작한 청정 이송시스템을 표면 분석 장비와 연결하면 7˙ 크기의 PDP 패널이 분석 가능하다. 특히, 방전에 의한 표면 변화와 불순물의 분석을 위해 PDP discharge system을 새롭게 구성하여 실시간으로 실험 할 수 있게 하였다.

2.실험 방법

봉합패널의 경우는 봉합패널을 In-situ 분석용 챔버에 넣고, 진공이 10-8mbar 까지 도달하면 분석 가능한 크기로 분해한 후, Magnetic transfer를 이용해서 UHV system의 Fast entry lock chamber로 이송한다. 진공을 유지하면서 Preparation chamber 와 analysis chamber로 이송하여 표면 분석을 하였다. 전체적인 실험장치 구성 및 이송단계를 Fig. 1에 도식화하였다. 플라즈마 방전 영향에 의한 표면의 변화 정도를 관찰하기 위해 에이징 30분 패널을 PDP 챔버에 넣고, 적당한 크기로 깬 다음, In-situ discharge chamber(Fig. 1 참고) 까지 진공 이송하여, 방전가스(He)를 주입한 다음, rf 100W, 0.8torr에서 10분 동안 플라즈마 방전을 시켰다. 실험한 샘플을 Analysis chamber 까지 진공 이송하여 XPS로 표면 분석하고, Mass Spectroscopy(QMS200)로 불순물의 종을 분석하였다.

결과 및 고찰

PDP 패널의 방전시 MgO 보호막과 형광체에서 발생되는 불순물과 표면의 화학적 변화가 PDP 성능에 중요한 영향을 끼칠 것이다. 그 중 MgO 막이 흡습성이 강하므로 박막의 증착 과정이나 증착 후 결정의 결함이 생기는 곳에 수산화기 형태로 흡착된다. 또한 99.95% 순도의 MgO라도 공기에 노출되면 탄소가 흡착되므로, 이러한 탄소와 수분은 방전시 방전 공간으로 방출될 것으로 예상할 수 있다. Fig. 2 는 30분 에이징 패널을 진공상태에서 분해한 후, He 가스를 0.8 torr 까지 주입한 후, rf 100W, 10분 동안 방전시킨 결과이다. 이 Mass Spectroscopy data는 상, 하판의 주요한 불순물이 H2, H2O, CO, 그리고 CO2 라는 것을 보여준다. 이를 통해 상, 하판 표면에 쉽게 흡착되는 수분과 탄소화합물이 플라즈마 방전에 의해 방전 공간으로 방출되는 것을 알 수 있다. 또한 MgO표면의 화학적 성분 및 조성 변화를 분석하여 Fig. 3, 4, 5 와 같은 결과를 얻었다.  Fig. 3 은 C 1s peak의 XPS narrow scan의 결과를 보여주는데, 에이징 시간이 증가함에 따라 탄소 피크의 크기가 상당히 줄어들며, 에이징 12시간에서는 거의 탄소 peak이 보이지 않게 된다. 또한 10분 동안 He 플라즈마에 의해 방전된 30분 에이징 패널은 1시간 에이징 패널과 거의 유사한 결과를 보여주고 있다. 이것은 He 플라즈마 영역에서 방전가스의 열효과와 전자효과에 의해 표면의 변화가 일어났다는 것을 나타낸다. Fig. 4 는 O 1s peak의 XPS narrow scan의 결과를 보여주는데, 에이징에 따라 MgO 보호막의 O 1s peak의 binding energy는 532.5에서 528eV 까지 움직인다. 에이징이 진행됨에 따라 MgO 보호막에 흡착되어 있던 수분이 탈착되면서, OH- 같은 electron donor group의 영향이 사라지게 된다. OH- 같은 electron donor group은 Mg2+ cation에 전자를 공급해서 더 낮은 binding energy로 shift 시킨다. 그래서 낮은 binding energy로 shift 되어졌던 MgO 보호막의 O 1s peak은 에이징에 따라 MgO(100)single crystal의 O 1s peak의 binding energy로 shift 되어 진다. 앞서 설명했듯이 10분 동안 He 플라즈마에 의해 방전된 30분 에이징 패널은 1시간 에이징 패널과 거의 유사한 결과를 보여주고 있다. Fig. 5 는 Mg 2p peak의 XPS narrow scan의 결과를 보여주는데, O 1s peak과 마찬가지로, 낮은 binding energy로 shift 되어졌던 MgO 보호막의 Mg 2p peak은 에이징에 따라 MgO(100)single crystal의 Mg 2p peak의 binding energy로 shift 되어 진다. 10분 동안 He 플라즈마에 의해 방전된 30분 에이징 패널은 방전에 의한 에이징 효과로 인해, 1시간 에이징 패널과 거의 유사한 결과를 보여주고 있다. 실험에서 우리는 상,하판의 주요한 불순물이 표면에 화학적으로 흡착된, carbon 과 water 라는 것을 알 수 있었다. 또한 이러한 불순물이 PDP 동작에 악 영향을 끼칠 것이므로, 이를 제거하기 위한 연구가 필요할 것이다.

참고문헌

1. Young Kyo Shin, Chae Hwa Shon, Woong Kim and Jae Koo Lee, IEEE       Trans. Plasma Science, Vol. 27, No. 5, October (1999) p. 1366

2. Kwang-Nam Kim, Joong-Kyun Kim, Jin-Ho Yang, Ki-Woong Whang,        and Seok-Hyun Lee, Journal of the Korean Vacuum Society, Vol. 8, No.      4, November (1999) p. 482

3. B.W. Byrum Jr, IEEE Trans. Electron Devices 22 (1975) p. 685

4. M.O. Avoelfotoh, J.A. Lorenzen, Journal of the Applied Physics 48 (1977)      p. 4754

5. O. Sahni, M.O. Avoelfotoh, Proc. Society for Information Display 22 (1981)     p. 219

6. Chung-Hoo Park, Young-Kee Kim, Sung-Hyun Lee, Woo-Geun Lee,          Youl-Moon Sung, Thin Solid Films, 366 (2000) p. 88

7. Soon Joon Rho, Soon Moon Jeong, Hong Koo Baik, Kie Moon Song, Thin     Soild Films, 355-356, 58 (1999)

Fig. 1. PDP discharge system and UHV-system for in-situ analysis

(a)                                 (b)

Fig. 2. Gases evolution of (a) 30 minutes aging MgO film and (b) 30 minutes         aging Phosphor layer discharged by He plasma, rf power 100W, for 10         minutes

Fig. 3. XPS narrow scans C 1s. (a) 30 minutes aging sample which was             discharged by He plasma for 10minutes. (b) No aging single panel. (c)         30minutes aging sample. (d) 1hours aging sample. (e) 2hours aging           sample. (f) 12hours aging sample.

Fig. 4. XPS narrow scans O 1s. (a) 30 minutes aging sample which was              discharged by He plasma for 10minutes. (b) No aging single panel.           (c) 30minutes aging sample. (d) 1hours aging sample. (e) 2hours              aging sample. (f) 12hours aging sample.

Fig. 5. XPS narrow scans Mg 2p. (a) 30 minutes aging sample which was           discharged by He plasma for 10minutes. (b) No aging single panel. (c)         30minutes aging sample. (d) 1hours aging sample. (e) 2hours aging           sample. (f) 12hours aging sample.