PDP Aging 시간에 따른 표면 물성 변화

이기형, 소현, 김태호, 김영채, 문세기

한양대학교 화학공학과

Changes of surface properties according to PDP aging time

Ki Hyung Lee, Taeho Kim, Hyun Soh, Young Chai Kim, Sei-Ki Moon

Department of Chemical Engineering, Hanyang University

서 론

PDP 생산공정에서 에이징 시간 단축을 위하여 패널 내부에서의 변화 인자와 에이징 시간에 따른 변화의 정도를 밝히고, 체계적으로 시간 단축을 위한 공정을 도출하는 연구가 필요하다. PDP 공정에서 최종으로 수행되는 에이징 공정은 초기방전을 통하여 전자소자 및 패널 내부 벽면물질을 안정화시키며 광학적, 전기적 성능을 유지하는 목적으로 장시간동안 수행되는 필수공정이다. 에이징 시간으로 대략 48시간 정도 소모되므로 제품의 생산성 향상을 위하여 긴 공정시간 단축은 반드시 개선되야 한다. 또한, 플라즈마 상태에서 표면을 보호하기 위한 MgO 보호막의 대체 물질 연구는 국내와 국외에서 활발하게 이루어지고 있지 만, 방전에 의해 변화되는 표면 상태에 관한 조사와 실제 공정에서 에이징에 의한 변화가 전무한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 대기 중에 노출이 없는 In-situ PDP 분석 시스템을 구성해서 상판 MgO 보호막과 하판 형광체의 표면을 에이징 시간에 따라 분석한다. 이러한 상판과 하판의 변화를 기준으로 하여, 새롭게 구성한 PDP dischage system에서 샘플을 방전 시간에 따라 simulation을 한다면, 에이징 시간에 따른 표면의 변화를 실시간으로 관찰 할 수 있을 것이고,  최종 목표로 삼고 있는 에이징 공정 시간 단축이라는 결과을 도출해 낼 수 있을 것이다. 또한, 에이징 simulation에 따른 표면 분석으로 정확한 에이징 원인을 예측할 수 있고, 표준화된 공정조건을 제시 할 수 있다. PDP의 수명은 MgO 보호막, 형광체, 방전가스의 조성과 종류에 의존한다. 따라서 PDP 공정의 최종단계인 MgO 보호막과 형광체에 대한 특성파악은 필수적 과제라고 생각한다. MgO 보호막과 형광체의 에이징에 의한 변화 상태와 특성파악은 이러한 에이징 simulation을 통해 체계적으로 관찰되어 질 수 있을 것이다.

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, 에이징 simulation을 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. PDP 패널의 표면을 진공 분위기에서 분석하여 에이징 공정으로 인한 패널의 내부상태를 관찰하였다. 또한 플라즈마 방전 영향에 의한 표면의 변화 정도를 관찰하고, 에이징 simulation을 위해, 에이징 하지 않은 패널을 PDP 챔버에 넣고, 적당한 크기로 깬 다음, In-situ discharge chamber(Fig. 2 참고) 까지 진공 이송하여, 방전가스를 주입한 다음, 플라즈마 방전을 시킨다. 방전 시간을 달리 하면서 실험한 샘플을 Analysis chamber 까지 진공 이송하여 물리,화학적 상태를 XPS, AES, 그리고 AFM으로 분석한다.

결과 및 고찰

실제 PDP를 제작할 때, 유전 층의 ion sputtering에 의한 파괴를 막고, 또한 PDP 플라즈마 방전 시 낮은 이온 에너지가 표면에 부딪혔을 때 비교적 높은 이차전자 발생계수의 특성을 가져 방전 플라즈마의 구동 및 유지전압을 낮추어 주는 중요한 구실을 하는 MgO 보호막을 형성하게 된다. 이 보호막이 가스방전공간에 최종적으로 노출되므로, 이 보호막의 특성이 완성된 패널의 특성을 크게 좌우하게 된다.  최종적으로 PDP 패널을 완성하기 위해 각각 구조물 형성 공정이 진행된 상판과 하판을 봉합하게 되는데, 이때 이미 형성된 MgO 보호막이 크게 오염된다. 이런 오염 물질을 제거하기 위해 배기 공정과정에서 고온처리를 하여 MgO 보호막의 오염물질을 제거하고, 방전가스를 주입하게 된다. 그런데 배기 공정에서 PDP 패널의 대 면적으로 인해 내부 진공도가 일정치 못한 한계가 있다. 이로 인해 MgO 보호막의 오염물질들이 완전히 제거되지 못하게 된다. 따라서 방전가스를 주입하고, 에이징 공정을 통해 표면의 불순물을 제거하고 안정화하는 공정이 필요하게 된다. 봉합 패널의 방전시 MgO 보호막과 형광체의 화학적 변화가 중요한 요인으로 추정된다. 그 중 MgO 표면은 H2O와 CO2 분자가 상당히 쉽게 흡착하여 MgO 표면의 변형을 초래하는 것은 잘 알려져 있다. 봉합 패널의 표면특성은 국내 생산업체로부터 에이징 시간이 10분, 30분, 1시간, 2시간, 12시간, 24시간인 봉합패널을 제공받아 30분, 1시간, 2시간, 12시간인 봉합패널의 표면특성을 조사하였다. 진공이송을 통해 외부조건을 최소화하였으며, MgO표면의 화학적 성분 및 조성 변화를 분석하여 Fig. 3, 4, 5, 와 같은 결과를 얻었다. Fig. 3 은 에이징 시간에 따른 XPS wide scan의 결과를 보여주는데, 시간에 따라 상당한 피크의 변화를 볼 수 있다. 특히 탄소 피크의 크기가 상당히 줄어들며, C, Mg, O 의 peak가 shift되는 경향을 볼 수 있다. Fig. 4 (a) 는 에이징 시간에 따른 C1s 피크의 변화를 XPS narrow scan의 결과를 보여주는데, 에이징 시간이 길어질수록 탄소 피크의 크기가 줄어들어, 에이징 12시간에서는 거의 탄소화합물이 발견되고 있지 않다. 이는 플라즈마 방전에 의해 표면에 있는 탄소 불순물들이 제거되었을 것이라고 추측할 수 있다. Fig. 4 (b) 는 에이징 시간이 길어질수록 순수 MgO의 O1s peak 위치로 shift 되고 있다. Fig. 4 (c) 는 에이징 하기 전에 수분의 영향으로 낮은 binding 에너지로 peak shift 되어 있던 것이 에이징 함에 따라 순수 MgO의 Mg2p peak 위치로 shift되고 있다. 이와 같은 XPS 표면 분석결과를 토대로 피크변화와 면적을 기초로 하여 결합상태를 예측하였다. 이 결과 에이징 시간이 짧을 때에는 단일 상판의 보호막에서와 같은 Mg-O, O-O, C-O, Mg-OH의 결합으로 산소 및 탄소의 존재와 수분의 영향이 나타났다. 또한, 에이징 시간이 늘어남에 따라 순수 MgO의 Mg2p 피크 위치로 변화해 나감을 관찰할 수 있었다. 따라서, 에이징 시간변화만으로 제작된 봉합패널 분석으로는 플라즈마 방전에 의한 열 효과 및 비 활성 방전기체의 전자효과에 의해 수분이 탈착 되고, 탄소 화합물이 제거되는 것으로 여겨진다. Fig. 5 는 에이징 하지 않은 단일 하판의 형광체와 12시간 에이징을 한 봉합 패널의 형광체, 12시간 에이징을 한 봉합 패널의 형광체를 긁어서 파우더 형태로 된 샘플을 XPS로 분석하였다. 이 분석을 통해 하판의 경우도 에이징에 따라 상당한 표면의 변화가 있음을 볼 수 있었다. 이러한 결과를 토대로 PDP discharge system에서 에이징 simulation을 한다면, 실제 공정에서 최적 상태의 에이징 시간을 체계적으로 도출할 수 있다. 그리고, 에이징 또는 표면 안정화 처리와 필요성에 대해서도 좀 더 확실한 결론을 얻을 수 있을 것이다.

참고문헌

1. 最新 Plasma Display 製造技術,  PRESS JOURNAL

2. Ping Liu, Tom Kendelewicz, Gordon E. Brown,Jr, George A.Parks,"Reaction    of water with MgO(100) surfaces. Part I:Synchrotron X-ray photoemission

studies of low-defect surfaces" Surface Science,412/413 287-314

3. John C.Vickerman,"Surface Analysis-The Principal Techniques" John Wiley

& SonsLtd,1997

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

Fig. 2. In-situ discharge chamber diagram

Fig. 3. XPS wide scans of front panel surface according to aging time

(a)                           (b)

(c)

Fig 4. XPS narrow scans according to aging time (a) C1s, (b) O1s, (c) Mg2p

Fig. 5. XPS wide scans of back panel according to aging time

(a) no aging, (b) 12hour aging, (c) 12hour aging phosphor powder