브라운관

1. 개요

브라운관(CRT)은 음극선관을 사용하여 영상을 표시하는 장치로, 1897년 페르디난트 브라운에 의해 발명되었다. 전자총에서 발사된 전자가 형광체 스크린에 충돌하여 빛을 내는 방식으로 작동하며, 섀도우 마스크, 슬롯 마스크, 어퍼처 그릴 등의 기술을 통해 컬러 영상을 구현한다. 1990년대 후반 LCD 기술의 발전으로 점차 대체되었으나, 특수 CRT는 오실로스코프, 레이더, 프로젝터 등 특정 분야에서 사용되었다. 브라운관에는 납, 카드뮴 등 유해 물질이 포함되어 있어 적절한 재활용이 필요하다.

2. 역사

음극선은 1869년 요한 히토르프가 원초적인 크룩스관에서 발견하였다. 1897년, J. J. 톰슨은 음극선이 원자보다 작은 음전하 입자, 즉 전자로 이루어져 있음을 밝혀냈다. 최초의 CRT 버전은 독일의 물리학자 페르디난트 브라운이 1897년 발명한 브라운관으로 알려져 있었다. 이것은 인광체로 코팅된 화면을 갖춘 크룩스관의 수정판인 냉음극 다이오드였다.

브라운관은 비디오 모니터, 텔레비전 수상기, 컴퓨터 등의 디스플레이나 오실로스코프 등에 사용되었으며, 과거에는 일반 가정에서도 널리 사용되었다. 당시 텔레비전의 대명사처럼 여겨졌으며, "브라운관의 스타"와 같은 표현으로 텔레비전 세계를 지칭하기도 했다. 유튜브(YouTube)의 "Tube"는 브라운관에서 유래했으며, 유튜브 로고 마크는 브라운관 텔레비전 화면의 둥근 사각형 모양에서 유래했다.

브라운관의 발명과 발전, 그리고 쇠퇴는 다음과 같이 요약될 수 있다.

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📌 열 고정 해제

연도	사건
1897년	브라운이 음극선관을 발명
1907년	러시아의 보리스 로징이 브라운관을 이용한 수상 장치를 발명
1925년	영국의 존 로지 베어드가 원판을 이용한 텔레비전을 발명
1927년	일본의 고야나기 켄지로가 촬영에 원판을 사용하고, 영상에 브라운관을 사용한 수상 장치 개발에 성공, 미국의 필로 파인즈워스, 전자식 텔레비전 촬영 장치 개발
1934년	독일에서 텔레비전 방송 시작 (파울 니프코)
1967년	소니, 트리니트론 개발
1990년	소니, 하이비전 브라운관 텔레비전 (KW-3600HD) 출시
1996년	소니 슈퍼플랫 트리니트론관을 채용한 텔레비전 수상기 출시
2008년	소니, 트리니트론 생산 종료
2015년	샤프, 필리핀에서 브라운관 텔레비전 생산 종료

2.1. 초기 역사

요한 히토르프는 1869년 원초적인 크룩스관을 통해 음극선을 발견했다. 음극선은 음극에서 나와 관의 빛나는 벽에 그림자를 드리웠는데, 이는 음극선이 직선으로 이동함을 나타냈다. 1890년 아서 슈스터는 음극선이 전기장에 의해 휘어질 수 있음을, 윌리엄 크룩스는 자기장에 의해 휘어질 수 있음을 증명했다. 1897년 J. J. 톰슨은 음극선의 질량 대 전하 비를 측정하여, 음극선이 원자보다 작은 음전하를 띤 입자, 즉 최초의 "소립자"로 구성되어 있음을 밝혔다. 이 입자는 1891년 조지 존스톤 스토니에 의해 "전자"로 명명되었다.

최초의 CRT는 1897년 독일 물리학자 페르디난트 브라운이 발명한 '브라운관'이었다. 이것은 인광체로 코팅된 화면을 갖춘 크룩스관의 수정판인 냉음극 다이오드였다. 브라운은 CRT를 디스플레이 장치로 사용하는 것을 최초로 고안했다. "브라운 관"은 20세기 TV의 기초가 되었다.

1908년 앨런 아치볼드 캠벨 스윈턴은 네이처에 음극선관을 송신 및 수신 장치로 사용하여 "원거리 전기 시각"을 달성할 수 있는 방법을 설명하는 편지를 발표했다. 그는 1911년 런던에서 행한 연설에서 이 비전을 확장했고, 이는 타임스와 뢴트겐 학회 저널에 보도되었다.

열음극을 사용하는 최초의 음극선관은 존 버트랜드 존슨(존슨 잡음이라는 용어를 만들었다)과 웨스턴 일렉트릭의 해리 와이너 와인하트에 의해 개발되었고, 1922년에 상용 제품이 되었다. 열음극의 도입으로 더 낮은 가속 양극 전압과 더 높은 전자빔 전류가 가능해졌다.

2.2. 발전

1926년 일본의 다카야나기 겐지로는 CRT TV 수신기를 시연했다. 1928년 CRT 디스플레이에 사람 얼굴을 전송하는 데 성공했다. 1929년 블라디미르 K. 즈보리킨은 CRT를 "키네스코프(Kinescope)"로 명명했다. 1934년 독일의 텔레풍켄에서 최초의 상업용 전자식 TV를 제조했다. 1947년 최초의 CRT를 이용한 게임인 "음극선관 오락 기기"가 만들어졌다. 1954년 RCA는 최초의 컬러 CRT 중 하나인 15GP22 CRT를 생산했다. 1960년대에는 에이컨 튜브와 트리니트론 기술이 개발되었다. 1987년 제니스는 컴퓨터 모니터용 평면 CRT를 개발했다. 1990년 소니가 최초의 HD 해상도 CRT인 KW-3600HD를 출시했다.

2.3. 쇠퇴

1990년대 후반부터 LCD 기술이 발전하면서 CRT는 점차 대체되기 시작했다. 특히 15인치 미만의 컴퓨터 모니터에서 이러한 현상이 두드러졌는데, 이는 LCD의 소형화 덕분이었다. 2001년 히타치를 시작으로 여러 제조업체가 CRT 생산을 중단했다. 2004년에는 소니가 일본에서 CRT 생산을 중단했다. 2000년대에 들어 평판 디스플레이의 가격이 하락하면서 2003~2004년에 LCD 모니터 판매량이 CRT를 넘어섰고, 2005년에는 일부 시장에서 LCD TV 판매량이 CRT를 넘어서기 시작했다. 삼성SDI는 2012년에 CRT 생산을 중단했다.

2000년대 후반 CRT 수요는 급감했다. 삼성과 LG가 슬림하고 저렴한 모델을 출시하여 비슷한 크기의 고가 LCD와 경쟁하려는 노력을 기울였음에도 불구하고, CRT는 결국 구식이 되어 LCD에 자리를 내주게 되었다.

일부 산업에서는 CRT 교체에 드는 비용이 너무 많거나 대체품이 없기 때문에 여전히 CRT를 사용하고 있다. 대표적인 예로 항공 산업을 들 수 있다. 보잉 747-400과 에어버스 A320과 같은 항공기는 기계식 계기판 대신 CRT 계기를 글래스 콕핏에 사용했다. 루프트한자와 같은 항공사는 여전히 CRT 기술을 사용하고 있다. 군사 장비에도 유사한 이유로 CRT가 사용되고 있다.

CRT의 인기 있는 소비자 용도 중 하나는 레트로 게임이다. 라이트 건은 CRT의 점진적 타이밍 특성에 의존하기 때문에 CRT에서만 작동하는 등 CRT 디스플레이 하드웨어 없이는 플레이할 수 없는 게임도 있다.

3. 구성 요소

브라운관(CRT)은 전자총, 편향 요크, 형광체 등의 구성 요소로 화면에 영상을 표시한다.

* 전자총: 음극을 가열하여 전자를 방출하고, 방출된 전자를 그리드를 사용하여 초점을 맞추고 가속시켜 브라운관 화면으로 보낸다. 전자총은 브라운관 목(neck) 안에 있으며, 유리 구슬이나 유리 지지대를 사용하여 목에 고정된다. 흑백 브라운관에는 전자총이 하나 있고, 컬러 브라운관에는 적색, 녹색, 청색 빛을 내는 세 개의 전자총이 있다.

* 편향: 전자빔의 경로를 제어하여 영상을 표시한다. 자기 편향 방식은 TV와 모니터에, 정전 편향 방식은 오실로스코프에 주로 사용된다.

* 섀도우 마스크/어퍼처 그릴: 컬러 CRT에서 전자빔을 정확한 색상의 형광체에만 충돌시키기 위해 사용된다. 섀도우 마스크는 작은 구멍이 뚫린 금속판이고, 어퍼처 그릴은 수직으로 배열된 가는 금속선이다.

* 섀도우 마스크: 금속판에 작은 구멍을 뚫어 전자빔이 정확한 색상의 형광체에만 충돌하도록 한다.

* 어퍼처 그릴: 소니의 트리니트론 CRT처럼 가늘고 수직으로 배열된 금속선을 사용하여 더 밝은 이미지를 구현한다.

* 슬롯 마스크: 섀도우 마스크와 어퍼처 그릴의 중간 형태로, NEC의 크로마클리어 CRT에 사용되었다.

* 색 수렴 및 순도: 컬러 CRT에서 정확한 색 재현을 위해 중요하며, 색상 정렬 링 자석이나 능동 보상 회로를 통해 조정한다.

* 탈자 (Degaussing): 섀도우 마스크나 어퍼처 그릴의 자화를 제거하여 색 순도 오류를 방지한다. CRT 내부에 탈자 코일이 내장되어 자동으로 작동한다.

* 형광체: 전자빔과 충돌하여 빛을 내는 물질로, 단색 CRT는 한 종류, 컬러 CRT는 세 종류(적색, 녹색, 청색)의 형광체를 사용한다.

3.1. 본체

CRT 본체는 스크린, 퍼넬(콘), 넥의 세 부분으로 구성된 유리관이다. 연결된 스크린, 퍼넬, 넥은 전구 또는 봉투라고도 한다.

넥은 유리관으로 만들어지며, 퍼넬과 스크린은 유리를 녹여 틀에 넣고 압착하여 만든다. CRT 유리 또는 TV 유리라고도 불리는 이 유리는 X선을 차폐하고, 스크린에서 충분한 광 투과율을 제공하거나, 퍼넬과 넥에서 매우 우수한 전기 절연성을 제공하는 특수한 특성이 필요하다. 유리에 특성을 부여하는 조성물은 용융물이라고도 불린다. 이 유리는 거의 오염 물질과 결함이 없는 매우 고품질의 유리이다. 유리 생산과 관련된 대부분의 비용은 원료를 유리로 용융하는 데 사용되는 에너지에서 발생한다. CRT 유리 생산용 유리 용광로에는 용광로를 멈추지 않고 금형을 교체할 수 있도록 여러 개의 탭이 있어 여러 크기의 CRT를 생산할 수 있다. 스크린에 사용되는 유리만 정밀한 광학적 특성을 가져야 한다.

스크린에 사용되는 유리의 광학적 특성은 컬러 CRT에서 색 재현과 순도에 영향을 미친다. 투과율 또는 유리의 투명도는 특정 색상(파장)의 빛에 대해 더 투명하도록 조정할 수 있다. 투과율은 546 nm 파장의 빛과 10.16mm 두께의 스크린을 사용하여 스크린 중앙에서 측정한다. 투과율은 두께가 증가함에 따라 감소한다. 컬러 CRT 스크린의 표준 투과율은 86%, 73%, 57%, 46%, 42% 및 30%이다. 더 낮은 투과율을 사용하면 이미지 대비가 향상되지만 전자총에 더 많은 부담을 주어 감소된 투과율을 보상하기 위해 형광체를 더 밝게 비추는 더 높은 전자빔 전력을 위해 전자총에 더 많은 전력이 필요하다. 색 순도를 보장하기 위해 스크린 전체에서 투과율이 균일해야 한다. 스크린의 반지름(곡률)은 시간이 지남에 따라 약 76.20cm에서 약 172.72cm로 증가(곡률이 감소)하여 결국 완전히 평평한 스크린으로 진화하여 반사를 줄였다. 곡선 및 평면 스크린 모두의 두께는 중앙에서 바깥쪽으로 점차 증가하며, 그에 따라 투과율이 점차 감소한다. 즉, 평면 CRT의 내부가 완전히 평평하지 않을 수 있다.

CRT에 사용되는 유리는 유리 공장에서 CRT 공장으로 별도의 스크린과 퍼넬이 용융된 넥과 함께 (컬러 CRT의 경우) 또는 용융된 스크린, 퍼넬, 넥으로 구성된 전구 형태로 들어온다. 각 유리 제조업체에 따라 특정 코드를 사용하여 분류되는 다양한 유형의 CRT에 대한 여러 가지 유리 조성이 있었다. 용융물의 조성 또한 각 제조업체마다 달랐다. 고색 순도와 대비를 위해 최적화된 것은 네오디뮴으로 도핑된 반면, 단색 CRT용 유리는 사용된 조성에 따라 다양한 수준으로 색조가 지정되었으며 42% 또는 30%의 투과율을 가졌다. 순도는 올바른 색상이 활성화되었는지(예: 빨간색이 스크린 전체에 균일하게 표시되는지 확인) 확인하는 것이며, 수렴은 이미지가 왜곡되지 않았는지 확인하는 것이다. 수렴은 크로스 해치 패턴을 사용하여 수정할 수 있다.

CRT 유리는 과거 AGC Inc., O-I Glass, 삼성코닝정밀소재, Corning Inc., Nippon Electric Glass와 같은 전문 회사에서 제조되었으며, 비디오콘, 미국 시장을 위한 소니 및 톰슨과 같은 다른 회사도 자체 유리를 제조하였다.

퍼넬과 넥은 고전압 전자가 형광체 스크린이나 컬러 CRT의 섀도우 마스크와 같은 표적에 부딪힌 후 감속될 때 생성되는 X선을 차폐하기 위해 납 함유 포타시-소다 유리 또는 납 규산염 유리 조성으로 만들어진다. 전자의 속도는 CRT의 양극 전압에 따라 달라지며, 전압이 높을수록 속도가 높아진다. CRT에서 방출되는 X선의 양은 이미지의 밝기를 줄임으로써 줄일 수 있다. 납 유리는 저렴하고 X선을 많이 차폐하지만 일부 퍼넬에는 바륨이 포함될 수도 있다. 스크린은 일반적으로 납이 포함된 유리와 달리 갈변되지 않는 X선 차폐를 위해 바륨과 스트론튬이 함유된 특수 무연 규산염 유리 조성으로 만들어진다. 다른 유리 조성은 스크린에 2~3%의 납을 사용한다. 또는 납 대신 바륨과 함께 지르코늄을 스크린에 사용할 수도 있다.

단색 CRT는 스크린과 퍼넬 모두에 착색된 바륨-납 유리 조성을 사용하고 넥에는 포타시-소다 납 유리를 사용할 수 있다. 포타시-소다와 바륨-납 조성은 열팽창 계수가 다르다. 넥에 사용되는 유리는 집속 렌즈와 같은 전자총의 전자 광학에 사용되는 전압을 포함하기 위해 우수한 전기 절연체여야 한다. 유리의 납 때문에 X선으로 인해 사용 중에 갈변(어두워짐)되지만, 일반적으로 CRT 음극은 갈변이 눈에 띄기 전에 음극 중독으로 인해 마모된다. 유리 조성은 최대 가능한 양극 전압과 따라서 최대 가능한 CRT 스크린 크기를 결정한다. 컬러 CRT의 경우 최대 전압은 종종 24~32 kV이지만 단색 CRT의 경우 일반적으로 21 또는 24.5 kV이며, 단색 CRT의 크기를 약 53.34cm 또는 인치당 ~1 kV로 제한한다. 필요한 전압은 CRT의 크기와 유형에 따라 달라진다. 조성이 다르기 때문에 열팽창 계수가 유사하여 서로 호환되어야 한다. 스크린에는 반사 방지 코팅이 있거나 반사를 방지하기 위해 연마될 수도 있다. CRT에는 정전기 방지 코팅이 있을 수도 있다.

CRT 퍼넬의 납 유리에는 21~25%의 산화납(PbO)가 포함될 수 있다. 넥에는 30~40%의 산화납이 포함될 수 있으며, 스크린에는 12%의 산화바륨과 12%의 산화스트론튬이 포함될 수 있다. 일반적인 CRT는 크기에 따라 유리에 산화납 형태로 몇 킬로그램의 납을 포함한다. 약 30.48cm CRT는 총 0.5kg의 납을 포함하는 반면 약 81.28cm CRT는 최대 3kg을 포함한다. 산화스트론튬은 1970년대에 CRT에서 주요 용도로 사용되기 시작하였다. 그 이전에는 CRT가 페이스플레이트에 납을 사용하였다.

일부 초기 CRT는 도전성 재료가 있는 유리 대신 폴리에틸렌으로 절연된 금속 퍼넬을 사용하였다. 다른 CRT는 압축 유리 퍼넬 대신 세라믹 또는 불어낸 파이렉스를 사용하였다. 초기 CRT에는 전용 양극 캡 연결이 없었다. 퍼넬이 양극 연결이었기 때문에 작동 중에 활성화되었다.

퍼넬은 내부와 외부에 도전성 코팅이 되어 있어 퍼넬이 커패시터가 되어 CRT의 양극 전압을 안정시키고 필터링하는 데 도움이 되며 CRT를 켜는 데 필요한 시간을 크게 줄인다. 코팅에 의해 제공되는 안정성은 진공관을 사용했던 초기 전원 공급 장치 설계의 고유한 문제를 해결하였다. 퍼넬이 커패시터로 사용되기 때문에 퍼넬에 사용되는 유리는 우수한 전기 절연체(유전체)여야 한다. 내부 코팅은 양의 전압(수 kV일 수 있는 양극 전압)을 가지는 반면 외부 코팅은 접지에 연결된다. 더욱 견고한 현대 전원 공급 장치 설계로 인해 현대 전원 공급 장치로 구동되는 CRT는 접지에 연결할 필요가 없다. 퍼넬에 의해 형성되는 커패시터의 값은 5~10 nF이지만 양극에 일반적으로 공급되는 전압에서 그렇다. 퍼넬에 의해 형성된 커패시터는 다른 유형의 커패시터와 마찬가지로 유전 흡수가 발생할 수 있다. 이 때문에 부상을 방지하기 위해 CRT를 취급하기 전에 방전해야 한다.

CRT의 깊이는 스크린 크기와 관련이 있다. 일반적인 편향 각도는 컴퓨터 모니터 CRT 및 소형 CRT의 경우 90°였으며, 110°는 대형 TV CRT의 표준이었으며, 2001년~2005년 이후 LCD TV와 경쟁하기 위해 제작된 슬림 CRT에서는 120° 또는 125°가 사용되었다. 시간이 지남에 따라 실용적이 됨에 따라 편향 각도가 증가하여 1938년 50°에서 1959년 110°, 2000년대에는 125°가 되었다. 140° 편향 CRT가 연구되었지만 수렴 문제가 해결되지 않아 상용화되지 않았다.

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CRT의 크기는 화면의 전체 면적(또는 대각선 길이)로 측정하거나, 인광체로 코팅되어 검은색 가장자리로 둘러싸인 실제 시청 가능한 영역(또는 대각선 길이)으로 측정할 수 있다.

시청 가능한 영역은 직사각형일 수 있지만, CRT의 가장자리는 곡률을 가질 수 있다(예: 1972년 도시바(Toshiba)에서 처음 제작된 블랙 스트라이프 CRT). 또는 가장자리가 검고 완전히 평평할 수 있다(예: Flatron CRT). 또는 시청 가능한 영역이 CRT 가장자리의 곡률을 따를 수 있다(검은색 가장자리 또는 곡선 가장자리가 있거나 없음).

휴대용 TV(예: MTV-1) 및 캠코더의 뷰파인더와 같이 약 7.62cm 미만의 소형 CRT는 제작되었다. 이러한 CRT에는 검은색 가장자리가 없을 수 있으며, 실제로는 완전히 평평하다.

CRT의 무게 대부분은 두꺼운 유리 화면에서 나온다. 이는 CRT 총 중량의 65%를 차지하며 실용적인 크기를 제한한다. 깔때기와 목 부분의 유리는 각각 나머지 30%와 5%를 차지한다. 깔때기의 유리는 두께가 다양하여 얇은 목과 두꺼운 화면을 연결할 수 있다. CRT 유리의 무게를 줄이기 위해 화학적으로 또는 열적으로 강화된 유리를 사용할 수 있다.

3.2. 전자총

전자총은 브라운관 화면에 최종적으로 부딪히는 전자를 방출하는 장치이다. 전자총은 음극을 가열하는 가열 장치를 포함하고 있으며, 음극에서 방출된 전자는 그리드를 사용하여 초점이 맞춰지고 브라운관 화면으로 가속된다. 가속은 브라운관 내부의 알루미늄 또는 아쿠아다그 코팅과 함께 발생한다. 전자총은 화면 중앙을 향하도록 배치된다. 전자총은 브라운관 목(neck) 안에 있으며, 유리 구슬이나 유리 지지대(전자총의 유리 조각)를 사용하여 목에 고정 및 장착된다. 전자총은 별도로 제작된 후 "와인딩" 또는 밀봉이라는 과정을 통해 목 안에 배치된다. 전자총에는 브라운관 목에 융착된 유리 웨이퍼가 있으며, 전자총으로의 연결은 이 유리 웨이퍼를 관통한다. 전자총이 목 안에 들어가면 금속 부품(그리드)은 고전압을 사용하여 서로 아크 방전되어 스팟 노킹이라는 과정을 통해 거친 가장자리를 매끄럽게 한다. 이는 그리드의 거친 가장자리가 이차 전자를 생성하는 것을 방지하기 위해서이다.

흑백 브라운관의 경우, 목 부분에 전자총이 하나 있고, 깔때기 내부는 증착 방식으로 알루미늄으로 코팅되어 있다. 알루미늄은 진공 상태에서 증발되어 브라운관 내부에 응축된다. 알루미늄은 인광체의 이온 번(ion burn)을 방지하는 데 필요한 이온 트랩을 필요 없게 만들어 준다. 또한 인광체에서 생성된 빛을 화면 쪽으로 반사시키고, 열을 관리하며, 전자를 흡수하여 전자의 복귀 경로를 제공한다. 이전에는 깔때기 내부가 아쿠아다그(aquadag)로 코팅되었는데, 이는 페인트처럼 도포할 수 있기 때문이다. 인광체는 코팅되지 않았다. 알루미늄은 1950년대부터 브라운관에 적용되기 시작했으며, 인광체를 포함한 브라운관 내부를 코팅하여 알루미늄이 (브라운관 내부에서 손실될 수 있는) 빛을 브라운관 외부로 반사시키므로 이미지 밝기를 높였다. 알루미늄 처리된 흑백 브라운관에서는 외부에 아쿠아다그(aquadag)가 사용된다. 깔때기와 화면을 모두 덮는 단일 알루미늄 코팅이 있다.

내부 아쿠아다그(aquadag) 또는 알루미늄 코팅은 양극 역할을 하여 전자를 화면 쪽으로 가속시키고, 화면에 부딪힌 후 전자를 수집하는 동시에 외부 아쿠아다그(aquadag) 코팅과 함께 커패시터 역할을 한다. 흑백 브라운관은 단일 균일 인광체 코팅을 가지고 있으며 그림자 마스크가 없으므로 기술적으로 해상도 제한이 없다.

흑백 브라운관은 전자빔의 중심을 조정하기 위해 링 자석과 이미지의 기하학적 형태를 조정하기 위해 편향 요크 주변의 자석을 사용할 수 있다.

컬러 브라운관에는 세 개의 전자총이 있으며, 각각 적색, 녹색, 청색 빛을 방출하는 세 가지 다른 형광체에 대응한다. 전자총은 직선(인라인) 또는 정삼각형 구성으로 배열된다(전자총은 일반적으로 하나의 장치로 구성됨). 삼각형 구성은 그리스 문자 델타(Δ) 모양과의 관계를 바탕으로 "델타건"이라고도 한다. 형광체의 배열은 전자총의 배열과 동일하다.

3.3. 편향

편향 요크는 전자빔의 경로를 제어하여 스크린에 영상을 표시하는 역할을 한다. 자기 편향 방식은 TV와 모니터에 주로 사용되며, 큰 편향 각도와 높은 전자빔 전류를 허용한다. 정전 편향 방식은 오실로스코프에 주로 사용되며, 높은 주파수 응답 특성을 가진다.

정전 편향은 주로 오실로스코프에서 사용된다. 두 쌍의 판(수평 편향용 한 쌍, 수직 편향용 한 쌍)에 전압을 인가하여 편향을 수행한다. 전자빔은 한 쌍의 판 사이의 전압차를 변화시켜 조향된다. 예를 들어, 수직 편향 판 쌍의 위쪽 판에 전압을 인가하고 아래쪽 판의 전압을 0볼트로 유지하면 전자빔이 화면의 위쪽으로 편향된다. 아래쪽 판을 0볼트로 유지하면서 위쪽 판의 전압을 높이면 전자빔이 화면의 더 높은 지점으로 편향된다(더 큰 편향각으로 편향됨). 수평 편향 판에도 같은 원리가 적용된다. 판 쌍 사이의 길이와 근접성을 증가시키면 편향각을 증가시킬 수도 있다.

3.4. 섀도우 마스크/어퍼처 그릴

컬러 CRT는 전자빔을 정확한 색상의 형광체에만 충돌시키기 위해 섀도우 마스크나 어퍼처 그릴을 사용한다. 섀도우 마스크는 작은 구멍이 뚫린 금속판이며, 어퍼처 그릴은 수직으로 배열된 가는 금속선이다.

* 섀도우 마스크 (Shadow Mask)

섀도우 마스크는 금속판(주로 철)에 작은 구멍들을 뚫어 만든 것으로, 각 구멍은 화면상의 형광체 삼색점(빨강, 녹색, 파랑)에 대응된다. 전자총에서 발사된 세 개의 전자빔(각각 빨강, 녹색, 파랑)은 이 구멍들을 통과하면서 정확한 색상의 형광체에만 충돌하게 된다. 섀도우 마스크는 잘못된 형광체에 도달하는 전자를 흡수하거나 반사하여 색 순도 문제를 막는다. 섀도우 마스크는 일반적으로 화면 뒤 인치에 위치한다.

섀도우 마스크의 구멍은 테이퍼 형태로 제작되어, 구멍 안쪽에 부딪히는 전자가 흡수되지 않는 경우 반사되어 화면의 잘못된 지점에 부딪히는 것을 방지한다.

1970년대에는 슬롯 마스크가 섀도우 마스크를 대체하기도 했다. 슬롯 마스크는 더 많은 전자를 통과시켜 이미지 밝기를 향상시켰다.

초기 컬러 CRT는 블랙 매트릭스(Black Matrix)가 없었으나, 1969년 제니스(Zenith), 1970년 파나소닉(Panasonic)에서 블랙 매트릭스를 도입했다. 블랙 매트릭스는 인광체 점들을 분리하여 빛샘을 방지하고, 섀도우 마스크의 휨으로 인한 문제를 해결하는 데 도움을 주었다.

* 어퍼처 그릴 (Aperture Grille)

어퍼처 그릴은 섀도우 마스크와 유사한 기능을 하지만, 구멍 대신 가늘고 수직으로 배열된 금속선(와이어)들을 사용한다. 대표적인 예로 소니의 트리니트론 CRT가 있다. 트리니트론 CRT는 세 개의 음극을 가진 단일 전자총을 사용하며, 더 많은 전자를 통과시키는 어퍼처 그릴과 수직 원통형 화면을 특징으로 한다. 어퍼처 그릴은 섀도우 마스크보다 더 많은 전자빔을 통과시키므로 더 밝은 이미지를 구현할 수 있다.

* 슬롯 마스크 (Slot Mask)
슬롯 마스크는 섀도우 마스크와 어퍼처 그릴의 중간 형태로, 수직 슬릿 형태의 개구부를 가진다. 이는 NEC의 크로마클리어 CRT에 사용되었다.

색 수렴 및 순도

컬러 CRT의 정확한 색 재현을 위해서는 색 수렴(Convergence)과 색 순도(Purity)가 중요하다.

* 색 수렴: 세 개의 전자빔이 화면상의 동일한 지점에 정확하게 모이는 것을 의미한다. 정적 수렴은 화면 중앙에서의 수렴을, 동적 수렴은 화면 가장자리 및 전체 영역에서의 수렴을 의미한다.
* 색 순도: 각 전자빔이 의도한 색상의 형광체에만 충돌하는 것을 의미한다. 정적 순도와 동적 순도가 있다.

색 수렴 및 순도 문제는 CRT 목 주위에 설치된 색상 정렬 링 자석을 사용하여 조정할 수 있다. 동적 수렴 및 순도는 능동 보상 회로를 통해 조정할 수 있다.

탈자 (Degaussing)

섀도우 마스크나 어퍼처 그릴이 자화되면 색 순도 오류가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 CRT에는 탈자 코일이 내장되어 있으며, 전원을 켤 때마다 자동으로 작동하여 자화를 제거한다.

3.5. 형광체

형광체는 전자빔과 충돌하여 빛을 내는 물질이다. 단색 CRT는 한 종류의 형광체를 사용하며, 컬러 CRT는 적색, 녹색, 청색 각각에 해당하는 세 종류의 형광체를 사용한다. 형광체의 종류에 따라 밝기, 색상, 잔광 시간 등이 달라진다.

컬러 CRT의 경우, 형광체는 구경격자 디자인과 같이 줄무늬로 배열되거나 "삼색조"라고 하는 클러스터(섀도우 마스크 CRT의 경우)로 묶여 있다. 섀도우 마스크 관은 일반적으로 델타 구성의 작은 구멍이 있는 금속판을 사용하며, 전자빔이 관 앞면의 올바른 형광체만 비추도록 배치된다. 다른 유형의 컬러 CRT (트리니트론)는 동일한 결과를 얻기 위해 장력이 있는 수직 와이어의 구경격자를 사용한다.

컬러 CRT에는 세 개의 전자총이 있으며, 각각 기본 색상(적색, 녹색, 청색)에 하나씩 사용되고, 직선(인라인) 또는 정삼각형 구성으로 배열된다. 형광체의 배열은 전자총의 배열과 동일하다.

초기 컬러 CRT는 제니스(Zenith)가 1969년에, 파나소닉(Panasonic)이 1970년에 도입한 블랙 매트릭스(black matrix)가 없었다. 블랙 매트릭스는 인광체 점들을 서로 분리하여 한 인광체에서 다른 인광체로 빛이 새는 것을 방지하고, 전자빔의 일부가 블랙 매트릭스에 닿게하여 섀도우 마스크의 휨으로 인한 문제를 방지한다.

인광체는 포토리소그래피를 사용하여 도포된다. 화면 안쪽은 PVA 포토레지스트 슬러리(PVA photoresist slurry)에 현탁된 인광체 입자로 코팅된다. 그런 다음 적외선을 사용하여 건조하고, 노출시키고, 현상한다. 노출은 보정 렌즈가 장착된 자외선 광원을 사용하는 "등대"를 사용하여 CRT가 색 순도를 달성할 수 있도록 한다. 스프링 클립이 장착된 분리 가능한 섀도우 마스크가 포토마스크로 사용된다. 이 과정은 모든 색상에 대해 반복된다. 일반적으로 녹색 인광체가 먼저 도포된다.

단색 및 컬러 CRT의 인광체 코팅은 뒷면에 알루미늄 코팅이 되어있을 수 있다. 이는 빛을 앞으로 반사하고, 음이온에 의한 이온 번인을 방지하기 위해 이온으로부터 보호하며, 전자가 인광체와 충돌하여 발생하는 열을 관리하고, 전자를 화면에서 밀어낼 수 있는 정전기 축적을 방지하며, 양극의 일부를 형성하고 전자빔에 맞은 후 화면의 인광체에 의해 생성된 이차 전자를 수집하여 전자에 복귀 경로를 제공한다.

4. 주사 방식

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브라운관에서 영상을 표시하기 위해 전자빔을 움직이는 방식을 주사 방식이라고 한다. 주사 방식에는 래스터 스캔, 벡터 스캔, 래디얼 스캔 등이 있다.

4.1. 래스터 스캔

비디오 모니터나 디스플레이에서는 화면 전체를 주사선(래스터)이라 부르는 고정된 패턴으로 스캔하면서 영상 신호의 밝기 성분에 따라 전자빔의 세기를 조절한다. 이와 같이 화면 상의 임의의 점의 밝기를 제어함으로써 영상을 만들어낸다.

한 화면을 만들 때 주사를 줄마다 하는 것보다 한 줄씩 건너뛰어 홀수 행에 주사한 뒤, 짝수 행에 다시 주사를 하면 화면을 더욱 효과적으로 만들 수 있다. 이를 비월 주사 방식이라 한다.

4.2. 벡터 스캔

레이저 광선을 이용하여 대기 중의 미립자를 스크린으로 삼아 문자나 도형을 표시하는 방법과 유사하게, 벡터 스캔은 빔의 방향을 자유롭게 제어하여 문자, 도형을 일필휘지처럼 표시한다.

4.3. 래디얼 스캔

초기 레이더 표시 장치에서는 파라볼라 안테나의 방향과 동기하여 방사형으로 전자선을 주사(스캔)하여 영상을 표시하였다.

5. 다색 표시 방법

컬러 CRT는 빨강, 녹색, 파랑 세 가지 색상의 빛을 내는 형광체를 사용한다. 이 형광체들은 구경격자 방식처럼 줄무늬 형태로 배열되거나, 삼색조라고 불리는 묶음(섀도우 마스크 CRT의 경우)으로 배열된다.

컬러 CRT에는 세 개의 전자총이 있으며, 각각 빨강, 녹색, 파랑 기본 색상에 하나씩 대응한다. 이 전자총들은 직선(인라인) 또는 정삼각형 형태로 배열되며, 보통 하나의 장치로 구성된다. 삼각형 구성은 델타(Δ) 모양과 비슷하여 "델타건"이라고도 한다. 형광체의 배열은 전자총의 배열과 동일하다. 격자 또는 마스크는 전자가 잘못된 형광체에 부딪히는 것을 막는다.

섀도우 마스크 관은 일반적으로 델타 구성의 작은 구멍이 있는 금속판을 사용하며, 전자빔이 관 앞면의 올바른 형광체만 비추도록 한다. 다른 모든 전자는 차단된다. 구멍 대신 슬롯을 사용하는 섀도우 마스크는 슬롯 마스크라고 한다. 구멍이나 슬롯은 안쪽으로 갈수록 넓어지는 형태를 가지고 있다. 따라서 구멍 안쪽에 부딪히는 전자는 흡수되지 않으면 구멍을 통과하여 화면의 임의의(잘못된) 지점에 부딪히는 대신 반사된다.

다른 유형의 컬러 CRT인 트리니트론은 같은 결과를 위해 장력이 있는 수직 와이어의 구경격자를 사용한다. 섀도우 마스크는 삼색조당 하나의 구멍을 갖는다. 섀도우 마스크는 일반적으로 화면 뒤 1/2 인치에 위치한다.

트리니트론 CRT는 세 개의 음극을 가진 단일 전자총, 더 많은 전자를 통과시키는 구경격자(구경격자가 많은 전자를 차단하지 않으므로 이미지 밝기를 높임), 곡선형 화면이 아닌 수직 원통형 화면을 가지고 있다는 점에서 다른 컬러 CRT와 다르다.

세 개의 전자총은 목 부분에 위치한다(트리니트론 제외). 화면의 적색, 녹색, 청색 형광체는 검은색 격자 또는 매트릭스(토시바에서 블랙 스트라이프라고 함)로 분리될 수 있다.

6. 특수 CRT

* 저장관 (저장관): 오실로스코프에 사용되며, 한 번 표시된 영상을 일정 시간 동안 유지하는 기능을 가진다. 직시형 축적관(DVST)이라고도 불린다.
* 윌리엄스관: 초기 컴퓨터에서 디지털 데이터를 저장하는 데 사용되었다. 형광면의 대전을 다이내믹 메모리에 응용한 것이다.
* 장잔광 브라운관: 레이더, 저속도 주사 텔레비전, 벡터 스캔 등 리프레시 간격이 긴 응용 분야에 사용된다. 잔광 시간이 긴 형광체를 사용한다. 베이직마스터 레벨3의 전용 디스플레이에 채택된 사례가 있다.
* 박형 브라운관: 휴대용 텔레비전 (소니 워치맨 등)이나 인터폰 모니터 등에 사용된다. 영상을 보는 쪽에 음극선을 쏘는 구조이다.
* 플랫 브라운관: 화면이 평평한 CRT이다. 트리니트론은 표시면이 원통형이어서 세로 방향으로는 평평했다. 1996년에 발매된 플랫 트리니트론과 같이 브라운관 시대 말기에는 거의 완벽하게 직각이고 평탄한 표시면이 실현되었다.
* 프로젝션 CRT: CRT 프로젝터와 CRT 후면 투사 TV에 사용된다. 일반적으로 크기가 작고(직경 약 17.78cm~약 22.86cm), 적색, 녹색, 청색 빛을 생성하는 형광체를 가진 단색 CRT이다. 높은 양극 전압(예: 약 12.70cm 프로젝션 CRT의 경우 27kV, 약 17.78cm의 경우 25kV)과 특수 제작된 텅스텐/바륨 음극을 사용한다. 냉각을 위해 글리콜이 들어 있는 용기를 사용하며, 글리콜이나 용기 자체에 색을 넣어 색 재현을 개선하기도 한다.
* 빔 인덱스 튜브 (Beam-Index Tube): 유니레이(Uniray), 애플 CRT(Apple CRT), 인덱스트론(Indextron)이라고도 불린다. 1950년대 필코(Philco)가 개발한 섀도우 마스크 없는 컬러 브라운관이다. 적색, 녹색, 청색, 자외선(색인) 형광체 줄무늬가 번갈아 나타나는 스크린(트리니트론과 유사)과 광전 증배관 또는 포토다이오드를 사용하여 전자빔을 추적하고 형광체를 개별적으로 활성화한다. 1980년대 소니에서 인덱스트론(Indextron)으로 부활했지만, LCD 디스플레이의 개발로 채택이 제한적이었다.
* 캐랙트론 (Charactron): 문자 마스크를 사용하여 화면에 문자를 표시하는 CRT이다.
* 니모 튜브 (Nimo Tube): 한 자릿수 숫자 표시 장치로 사용된 소형 CRT이다.
* 플러드빔 CRT (Flood-Beam CRT): 점보트론과 같은 대형 비디오 월에 사용된다.
* 완전 평면 표시: 여러 개의 브라운관을 나란히 배열한 듯한 구조가 연구되기도 했다. 마쓰시타 전기(현 파나소닉)의 「플랫 비전」 등이 있다.

7. 대한민국에서의 CRT

대한민국에서는 1966년 금성사(현 LG전자)가 대한민국 최초의 흑백 텔레비전(VD-191)을 생산하면서 CRT 기술이 도입되었다. 1970년대 컬러 TV 방송이 시작되면서 컬러 CRT 수요가 증가했다. 삼성, LG전자 등 주요 전자 기업들이 CRT 생산에 참여하여 기술 개발 및 생산량 증대에 기여했다. 1990년대 후반까지 CRT는 텔레비전 및 컴퓨터 모니터 시장의 주류를 차지했다. 2000년대 들어 LCD, PDP 등 평판 디스플레이 기술이 발전하면서 CRT는 점차 쇠퇴했다. 현재 대한민국에서는 CRT 생산이 중단되었으며, 일부 특수 분야 및 레트로 게임 애호가들 사이에서 제한적으로 사용되고 있다.

8. 환경 문제 및 재활용

구형 컬러 및 단색 CRT는 인광체에 카드뮴과 같은 유독 물질이 포함되어 제조되었을 수 있다. 현대 CRT의 후면 유리관은 납 함유 유리로 만들어져 부적절하게 폐기될 경우 환경 위험을 초래한다. CRT 모니터에 포함된 유독 물질 때문에 미국 환경보호청(EPA)은 2001년 10월 CRT를 특수 전자폐기물 재활용 시설로 가져와야 한다는 규정을 만들었다.

전자폐기물로서 CRT는 재활용이 가장 어려운 유형 중 하나로 간주된다. CRT는 상대적으로 높은 농도의 납과 인광체를 포함하고 있는데, 이들은 모두 디스플레이에 필요한 물질이다.

대한민국에서는 CRT를 포함한 전자제품 재활용 관련 법규에 따라 CRT를 적절하게 처리해야 한다.

CRT 유리 재활용을 위해 여러 가지 방법이 제안되었다. 제안된 모든 방법은 유리에서 산화납 함량을 제거한다. 납이 포함된 CRT 유리는 다른 CRT로 재용융되거나, 분쇄되어 도로 건설, 타일, 콘크리트 및 시멘트 벽돌, 유리섬유 단열재에 사용되거나 금속 제련의 용융제로 사용되었다.

CRT에 사용되는 인광체는 종종 희토류 금속을 포함한다.