수상관(CRT, Cathode-Ray-Tube) 모니터

[핑크요정]

▶ 개 요

[1] CRT ?

• TV에서 영상을 비추어 내는 수상관(CRT, Cathode-Ray-Tube)은 1897년 독일의 물리학자 브라운에 의해서 발명
• 우리 나라에서는 브라운관이라 불리우고 있다.
• CRT는 휘도, 시야각, 제조단가, 콘트라스트등이 우수하여 전세계적으로 가장 많이 사용
• 현재도 전세계 디스플레이 시장을 석권

브라운관이나 진공관은 열전자 방출 현상을 이용한 것이다. 열전자 방출이란 금속등을 고온으로 가열하면 그 물질을 형성하고 있는 원자 속의 전자가 유리하여 공간으로 방사되는 현상을 말한다.

▶ CRT의 특징

[1] 흑백 디스플레이용 CRT (외적인 구조만으로 한정)

흑백 CRT는 유리벌브 안에 형광면이 형성되고, 단전자빔이 발생하는 전자총이 봉합된 유리벌브의 콘 형상부 외측에 편향요크가 장착되어 있는 단순구조로 되어있다.

[2] 칼라 디스플레이용 CRT

(1) 칼라 CRT의 기본원리

• 송상측에서 피사체를 적, 녹, 청의 광학 필터를 사용하여 피사체에 포함되어 있는 색 성분을 색 신호로 3색성분으로 분해, 전송
• 수상측에서는 적, 녹, 청으로 빛을 내는 브라운관을 마련하고, 이들 3개 신호로 적, 녹, 청의 화상을 내어 이것을 하나로 겹침으로서 원래의 피사체와 같은 색의 화상을 재현

(2) 수상방법

3개의 브라운관을 사용하는 것과, 1개의 브라운관면에 3색을 동시에 내는 것의 2가지 종류가 있는데, 시판되는 칼라 CRT는 거의가 후자의 방식이다.

[3] 브라운관의 종류

(1) 새도우 마스크(Shadow Mask)형, 크로마트론(Chromatron) 및 트리니트론(Trinitron)의 3가지 종류이다.
(2) 어느 방식이나 모두 동일 형광면에 R, G, B 3장의 화상을 동시에 내고 이것을 시각적으로 합성하여 컬러상을 제현한다.
(3) 크로마트론형, 트리니트론형은 현재 SONY의 칼라 TV에만 사용되어지고 있으며, 일반적으로 칼라 브라운관이라 하면 새도우 마스크형을 이야기 한다.
(4) 새도우 마스크형 브라운관은 1950년 미국 RCA사에서 최초로 발표하고, 그 후 각 부분에 개발을 가하여 오늘에 이르고 있다.

[4] 칼라 브라운관의 구조 (새도우 마스크 구조)

(1) 새도우 마스크형 칼라 브라운관의 특징

• 그림과 같이 넥(Neck) 부분에는 3개의 전자총이 있다.
• 패널 부분에는 형광면에서 약 10mm 떨어진 속에 새도우 마스크라고 불리는 약 30만개의 작은 구멍이 뚤린 얇은 철판의 마스크가 있다.
• 밸브(관)은 흑백 브라운관과 마찬가지로 전체가 연질의 유리로 되어 있으며, 패널(페이스 플레이트), 콘(퍼널), 넥(Neck)로 구성된다.

(2) 제조공정

• 패널 부분은 매우 정밀하게 만들어지며, 형광체를 칠해서 새도우 마스크로 고정시킨후 접합용 유리로 콘 부분과 용착한다.
• 넥(Neck)은 직경 36.5mm로서, 여기에 조립된 3전자총을 소정의 위치에 올바로 맞춰서 밀봉한다
• 마지막으로 배기를 하고 게터를 증발시켜 관내 10^-6 ~ 10^-7mmHg의 진공으로 만든다.
• 베이스를 달고 외부 도전막을 칠한 다음 시험을 하여 완성한다.
  

[5] 주요 부품

(1) 전자총

• R, G, B 3색의 형광점을 별도로 발광시키려면 3개의 전자빔이 필요하므로 전자총이 3개 필요하다.
• 3개의 전자총은 아래 그림과 같이 정삼각형의 각 정점에 위치하며, 위가 B, 오른쪽이 R, 왼쪽이 G인 전자총으로서, 각 전자총의 축의 연장선은 섀도우 마스크 면상에서 약 1도 정도 안쪽으로 경사져 있다.
• 방사된 전자빔은 각각에 해당하는 형광점에 충돌하여 빛을 낸다.
• 전자총내에서의 전자의 흐름을 보면 히이터로 가열된 캐소우드는 선단의 산화물에서 열전자를 방출한다.
• 이 열전자는 제 2그리드의 플러스 전압에 끌리므로 제 1 그리드의 작은 구멍을 통해 축방향으로 가속된다.
• 제 1 그리드에는 캐소드보다 마이너스 전압이 걸려 있으므로 이 전압에 의해 전자의 흐름이 콘트롤된다.
• 화면의 밝기는 전류에 거의 비례한다.
• 제 2 그리드를 통과한 전자류는 제3, 제4 그리드로 더욱 가속되고 제 4그리드를 통과한후에는 일정한 속도로 형광면으로 돌진한다.
• 이때 전자류는 제 3그리드와 제4 그리드로 구성되는 정전 렌즈의 작용에 의해 빔의 형태로 접속되어 형광면에 도달한다.
  

- 전자총의 방식

전자총들은 카메라 렌즈와 같은 작용을 하여 캐소드에서 방사되는 전자류를 빔상으로 집속시켜 형광면의 1점에 집중시킨다.

① 유니포텐셜형 전자총

• 형광면에 초점을 맞추었을 때의 스포트가 비교적 큰 대신에 초점 심도가 깊고, 형광면 전면에 전기적 또는 기계적으로 다소의 오차가 있어도 초점의 흐려짐이 적은 이점이 있다. 포커스 전압이 애노드 전압의 수 % 이하의 낮은 전압으로 구동되고, 전압의 변동에 의한 포커스의 벗어남이 적다는 이점
• 흑백 브라운관의 전자총에 사용된다.

② 바이포텐셜형 전자총

• 앞서 설명한 바오 같이 포커스 전압으로서 애노드 전압의 16.8 - 20% 사이의 전압으로 접속하도록 설계되어 있으므로 포커스 전용의 고압이 필요하여 까다롭지만 렌즈 형성전극에 좁혀진 부분이 없으므로 빔의 궤도보정이 용이하고 또한 빔의 찌그러짐도 적다.
• 칼라 브라운관에는 거의 이 방식이 이용된다.

(2) 섀도우 마스크

• 3전자 빔을 각각 해당되는 형광점에만 닿게 하는데 가장 중요한 역할을 하는 것이 섀도우 마스크
• 형광면에서 약 10mm 정도 떨어져서 형광면과 평행으로 장치되어 있다.
• 마스크는 두께 약 0.15mm의 철판에 약 30만개(브라운관 크기나 종류에 따라)의 작은 구멍이 규칙적으로 뚫어져 있다.
• 화면의 해상도는 구멍수의 평방근에 비례하므로 해상도를 좋게 하려면 피치를 작게 할수록 좋지만 피치가 작으면 형광점의 직경도 작아지고, 빔이 자기의 형광점에서 벗어나서 혼색을 일으키기 쉽다.
• 구멍의 형태는 통과하는 전자빔이 구멍의 벽에 충돌하여 산란하지 않도록 형광면쪽으로 갈수록 넓어지는 원추형 구멍(테이퍼 홀)으로 되어 있다.
• 구멍의 직경은 중앙부가 약 0.25mm로서, 끝으로 갈수록 약간씩 작아지며 주변부는 약 0.22mm이고 관의 종류에 따라 0.2-0.3mm 정도까지 있다.
• 구멍의 직경이 클수록 전자빔의 투과율이 좋고, 화면이 밝아지지만 결점으로서는 피치가 작을 때와 마찬가지로 혼색을 일으키기 쉽다.즉, 마스크 피치가 정해지면 형광점의 직경이 결정된다.
• 전자빔의 투과율은 화면 중앙부에서 15-18%로서, 이것만이 형광면을 발광시키는데 작용하고 나머지 전자빔은 마스크에 충돌하여 열손실로 된다. 이 때문에 섀도우 마스크의 이면을 검게하여 열방출이 좋아지도록 하고 있다.
  

(3) 섀도우 마스크와 형광면과의 관계

• 전자총에서 방사된 전자빔은 섀도우 마스크의 구멍을 통과하고 각각 해당되는 형광점을 조사하여 빛을 낸다.
• 전자총의 배치는 정삼각형 구조이므로 마스크의 구멍의 위치에서 전자빔이 교차하여 거꾸로 되므로 도달점은 역삼각형이 된다.
• 이 역삼각형의 정점의 위치에 각각 해당하는 형광점을 배치하면 된다.
• 섀도우 마스크의 모든 구멍에 대하여 형광점이 이와 같은 관계를 갖고 배치되어 있으므로 3전자빔은 페이스 전면에 대해 각각 독립적으로 R, G, B를 발광시킬 수 있다.
  

[6] 주사 방식

(1) 주사(Scanning)

• 촬상관의 타켓면에 만들어진 전기상은 대전량이 다른 무수한 점으로 만들어져 있는데, 이것을 화상의 전기 신호(영상신호)로서 꺼내려면 아래 그림과 같이 타켓면의 왼쪽 끝에서 오른쪽 끝으로, 상부에서 하부쪽으로 순서대로 분해한다.
• 수상기의 쪽에서는 브라운관 형광면 위에 보내져 온 영상신호를 순서대로 조립하여 화상을 재현한다.
• 이와 같이 화상을 분해하기도 하고 조립하기도 하는 것을 주사(Scanning)라 한다.
• 이 주사는 매우 빠른 속도로 하므로 실제로는 가로선으로 분해 조립을 하고 있는 것처럼 보인다.
• 화면을 왼쪽 끝에서 오른쪽 끝으로 분해하는 것을 수평주사라 하며, 수평 주사에 의해서 만들어지는 가로선을 주사선이라 한다.
• 주사선을 위쪽에서 아래쪽으로 늘어놓아 가는 주사를 수직주사라 하며 이 주사선으로 구성되는 화면을 래스터(Raster)라 한다.
• 1개의주사선에서 다음의 주사선으로 옮기는 사이를 귀선(Flyback Line)이라 하며 이 기간은 될 수 있는 대로 짧아지도록 한다.
  

(2) 비월주사(Interlaced Scanning)

• 실제의 TV에서 이 주사선은 525개로 정해져 있어서 매우 빠른 속도로 주사가 이루어지며 화면을 주사하는데 1/30초로 하고 있다.
• 즉 1초간 매 30장의 화상을 전송하고 있는데 브라운관의 형광면도 인간의 눈도 잔상이 있으므로 연속한 화면과 같이 보인다.
• 그러나, 실제로 TV의 브라운관 형광면상 위쪽에서 화상을 조립하면서 아래쪽으로 조립하여 갈 때, 상부는 화상이 지워져 버리고 있으므로 화면 전체에 다소의 깜박임이 생기게 된다.
• 이것을 방지하기 위해 그림과 같이 방법으로 1개 간격으로 수평 주사를 하고, 최초의 수직 주사에서 262.5개의 주사선으로 생긴 화면을 만들고, 2회 째의 수직주사로 1회째의 주사선의 사이를 주사하여 1매의 화면을 완성하는 방법을 취하고 있다.

[7] 편 향

• 전자빔을 편향시키기 위해서 브라운관의 경우 수평편향코일과 수직편향코일을 이용하여 전자빔을 좌우로 또는 상하로 이동시키면서 전자빔을 형광면에 주사시킨다.
• 즉 전자력이 작용하여 직진하는 전자빔의 진행 방향이 구부러지고, 그 정도는 편행코일에 흐르는 전류의 방향이나 양에따라 가감된다.
• 그림에서 좌단위치인 경우는 브라운관면상에서 좌측 맨끝이 되고 중앙은 전자빔이 직진하는 화면 중앙을, 우단은 브라운관의 가장 우측을 전자빔이 쏘게된다. 그리고 다시 좌단으로 급격히 편향된다.