CRT(Cathode Ray Tube) 모니터의 원리와 종류

CRT모니터(극전자관모니터)는 기술의 발달로 현재는 거의 사용하지 않는 방식의 모니터 장비입니다. 

과거 기술 방식의 장비이지만 현재 영상 신호를 표현해 주는 기술의 근간이 되는 방식임으로 한번 짚고 넘어가보도록 하겠습니다. 

 

 

 

 

 

 

 

CRT모니터 개요

RCA가 개발한 텔레비전의 색표현 원리는 전자총이 R,G,B 3개의 빛을 비추는 량에 따라 적색, 청색, 녹색의 형광물질로 빛을 발광합니다. 이때 하나의 픽셀은 매우 작은 점들로 구성되며 색상을 바꿔가며 화면에 분포되어 있습니다. 영상을 만들기 위해 전자빔으로 빛을 쏘아 화면의 형광물질에 충돌시킬 때 위치를 제어하기 위해, 매우 작은 구멍들로 구성된 금속 스크린이 형광성 화면 바로 뒤에 위치하는데, 이 작은 구멍들은 수상관 표면의 형광물질의 점들과 일치하도록 정렬되어 있으며, 각 구멍마다 R, G, B 3개로 구성되어 있습니다. 이 장치는 R, G, B 3 개의 전자총이 금속 그물망을 향해 전자빔을 방출할 때 그물망에 있는 세 개의 RGB 형광물질 중 하나에만 충돌하여 색상이 빛나게 하고 컬러화면을 만들어 내는데, 전자총은 컬러 TV 수상기 형광물질의 밝기(휘도)를 제어하는 역할을 합니다. 즉 카메라에서 컬러 비디오 신호를 만들어 내는 R, G, B 3개의 CCD는 각각 컬러 TV 수상기의 RGB 전자총에 연결되어 TV 수상관의 주사와 일치되면, 컬러화면을 재생시킬 수 있는 것입니다. 이와 같이 TV 수상기는 하나하나의 작은 불빛으로 영상을 만듭니다. 그러나 가정에서 TV를 시청할 때는 일정거리를 두고 보기 때문에, 우리가 보는 컬러화면이 작은 점들(픽셀)의 혼합에 의해 만들어집니다는 것을 인식하지 못하고, 실제 색상이 그대로 표현되는 것처럼 착각합니다.

 

CRT 기본원리

- 송상측에서 피사체를 적, 녹, 청의 광학 필터를 사용하여 피사체에 포함되어 있는 색 성분을 색 신호로 3색 성분으로 분해, 전송 수상 측에서는 적, 녹, 청으로 빛을 내는 브라운관을 마련하고, 이들 3개 신호로 적, 녹, 청의 화상을 내어 이것을 하나로 겹침으로서 원래의 피사체와 같은 색의 화상을 재현합니다.

 

수상방법

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

 

브라운관 종류

• 새도우 마스크(Shadow Mask) 형, 크로마트론(Chromatron) 및 트리니트론(Trinitron)의 3가지 종류.
• 어느 방식이나 모두 동일 형광면에 R, G, B 3장의 화상을 동시에 내고 이것을 시각적으로 합성하여 컬러상을 재현.
• 크로마트론형, 트리니트론형은 현재 SONY의 칼라 TV에만 사용되고 있으며, 일반적으로 칼라 브라운관이라 하면 새도우 마스크형을 칭함.
•  새도우 마스크형 브라운관은 1950년 미국 RCA사에서 최초로 발표하고, 그 후 각 부분에 개발을 가하여 오늘에 이름.

칼라 브라운관 구조

제조공정

패널 부분은 매우 정밀하게 만들어지며, 형광체를 칠해서 새도우 마스크로 고정시킨 후 접합용 유리로 콘 부분과 용착 합니다. 넥(Neck)은 직경 36.5mm로서, 여기에 조립된 3 전자총을 소정의 위치에 올바로 맞춰서 밀봉합니다. 마지막으로 배기를 하고 게터를 증발시켜 관내 10-6 ~ 10-7mmHg의 진공으로 만듭니다. 베이스를 달고 외부 도전막을 칠한 다음 시험을 하여 완성합니다.

전자총 배치

전자총

R, G, B 3색의 형광점을 별도로 발광시키려면 3개의 전자빔이 필요하므로 전자총이 3개 필요합니다.

• 3개의 전자총은 아래 그림과 같이 정삼각형의 각 정점에 위치하며, 위가 B, 오른쪽이 R, 왼쪽이 G인 전자총으로서, 각 전자총의 축의 연장선은 섀도 마스크 면상에서 약 1도 정도 안쪽으로 경사져 있음.
• 방사된 전자빔은 각각에 해당하는 형광점에 충돌하여 빛을 냄.
• 전자총 내에서의 전자의 흐름을 보면 히이터로 가열된 캐시우드는 선단의 산화물에서 열전자를 방출.
• 이 열전자는 제2 그리드의 플러스 전압에 끌리므로 제1그리드의 작은 구멍을 통해 축방향으로 가속.
• 제 1 그리드에는 캐소드보다 마이너스 전압이 걸려 있으므로 이 전압에 의해 전자의 흐름이 컨트롤.
• 화면의 밝기는 전류에 거의 비례.
• 제2 그리드를 통과한 전자류는 제3, 제4 그리드로 더욱 가속되고 제4 그리드를 통과한 후에는 일정한 속도로 형광면으로 돌진.
• 이때 전자류는 제3 그리드와 제4그리드로 구성되는 정전 렌즈의 작용에 의해 빔의 형태로 접속되어 형광면에 도달.

 

섀도 마스크

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

 

 

셰도우 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 됨.
• 이 역삼각형의 정점의 위치에 각각 해당하는 형광점을 배치하면 됨.
• 섀도우 마스크의 모든 구멍에 대하여 형광점이 이와 같은 관계를 갖고 배치되어 있으므로 3 전자빔은 페이스 전면에 대해 각각 독립적으로 R, G, B를 발광시킬 수 있음.

 

패널(Panel)

CRT의 전면 즉 화면에 해당되는 부분으로서 진공용기의 일부를 구성함과 동시에 전기신호로 전송, 수신된 영상정보가 최종적인 시각정보로 변환되는 곳이다. 패널의 안쪽에 형성된 형광면은 빛의 3 원색인 R(Red), G(Green), B(Blue)의 각 색성분으로 구성된 3원색 형광체 화소가 영상면의 구성요소로서 패널 내면에 피착(被着)된다.

 

펀넬(Funnel)

패널과 함께 진공 용기의 일부를 구성한다. 펀넬은 깔때기 모양의 콘부와 전자총이 삽입되는 네크부로 구성된다. 콘부에는 양극 전압 공급단자가 부착되어 있으며 내부에는 내부도전막이 도포된다. 내부도전막은 윈도마스크와 전자총의 최종전극에 양극전압을 공급하는 기능을 포함한다.

 

편향요크 (Deflection Yoke)

편향요크는 CRT의 자기 장치 중 가장 중요한 요소이다. 시간계열(時間系列)로 전송된 전기신호가 CRT에서 영상으로서 재생되기 위해서는 전자총에서 발사된 전자빔을 영상면상에 2차원적으로 편향시켜 재생한다. 이 전자빔을 편향하는 장치가 편향요크이다.

 

편향

• 전자빔을 편향시키기 위해서 브라운관의 경우 수평편향코일과 수직편향코일을 이용하여 전자빔을 좌우로 또는 상하로 이동시키면서 전자빔을 형광면에 주사시킴.
• 즉 전자력이 작용하여 직진하는 전자빔의 진행 방향이 구부러지고, 그 정도는 편행코일에 흐르는 전류의 방향이나 양에 따라 가감됨.
• 그림에서 좌단 위치인 경우는 브라운관면상에서 좌측 맨 끝이 되고 중앙은 전자빔이 직진하는 화면 중앙을 우단은 브라운관의 가장 우측을 전자빔이 쏘게 됨. 그리고 다시 좌단으로 급격히 편향됨.

CRT전자빔 편향

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CRT는 구조가 복잡하고 부피가 큰 것이 특징입니다. 

현재는 사용되지 않는 기술이지만 방송기술의 기본 개념 중 하나 이므로 정리해 보았습니다.