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섀도우 마스크

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목차

1. 개요

섀도우 마스크는 브라운관(CRT) 디스플레이에서 전자 빔을 빨강, 녹색, 파랑(RGB) 각 색상에 할당하기 위한 기술이다. 금속 얇은 판에 구멍을 뚫어 화면의 유리 바로 뒤에 위치하며, 1938년 베르너 플레치히에 의해 처음 특허되었다. 섀도우 마스크는 전자총에서 발사된 전자 빔이 형광체 점과 정확히 정렬되도록 하여 컬러 이미지를 구현하는 데 기여했다. 초기에는 열팽창, 낮은 밝기, 복잡한 구조 등의 문제점이 있었지만, 기술 개선을 통해 1960년대 후반부터 널리 사용되었다. 섀도우 마스크는 슬롯 마스크, 애퍼처 그릴과 유사한 기술이며, 제조 비용이 저렴하고 고해상도 표시가 가능하다는 장점이 있다.

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섀도우 마스크
기본 정보
컬러 CRT의 섀도 마스크
컬러 CRT의 섀도 마스크
유형디스플레이 기술
용도음극선관 (CRT) 디스플레이에서 색상 정렬
설명
개요섀도 마스크는 음극선관 (CRT) 디스플레이에 사용되는 금속판으로, 얇은 시트에 수십만 개의 작은 구멍이 뚫려 있다.
작동 원리
기능섀도 마스크의 주된 기능은 스크린의 올바른 형광체 도트에만 빛이 닿도록 하여 화면 이미지를 선명하고 집중시키는 것이다.
구조전자총에서 방출된 전자가 섀도 마스크의 구멍을 통과하면 세 개의 전자빔이 빨강, 초록, 파랑 형광체에 정확하게 정렬된다.
효과섀도 마스크가 없으면 전자빔이 원치 않는 형광체를 때려 색상이 흐릿해지거나 부정확해진다.
특징
재료일반적으로 강철이나 인바(팽창률이 낮은 니켈-철 합금)로 만들어진다.
열팽창작동 중 열이 발생하므로 섀도 마스크는 열팽창을 최소화하도록 설계되어야 한다.
대안 기술슬롯 마스크 및 애퍼처 그릴이 있다.
단점섀도 마스크는 빛을 차단하여 화면 밝기를 감소시키고 시야각을 좁힐 수 있다.

2. 개발

컬러 텔레비전 개발은 상업 방송 초기부터 연구되었으나, 1940년대 후반부터 본격적으로 진행되었다. 초기에는 빨강, 녹색, 파랑(RGB) 신호를 순차적으로 전송하는 방식이 주로 연구되었으나, 이는 흑백 텔레비전과의 호환성 문제와 기계적 필터로 인한 깜박임 문제를 야기했다.[1]

RCA는 1938년 조르주 발렌시가 제안한 휘도-색차 시스템을 기반으로 연구를 진행했다. 이 시스템은 RGB 신호를 직접 전송하는 대신 휘도 신호와 색차 신호로 분리하여 전송함으로써 흑백 텔레비전과의 호환성을 확보했다.[2] 그러나 디스플레이 튜브 생산의 어려움으로 인해 상용화에는 실패했다.

1950년대 초반, 여러 회사들이 다양한 방식의 컬러 텔레비전 개발을 시도했다. 제너럴 일렉트릭(GE)의 페네트론(Penetron), 파라마운트 픽처스의 크로마트론(Chromatron), 필코(Philco)의 빔 인덱스 튜브("애플" 튜브) 등이 개발되었으나, 각각의 기술적 한계로 인해 상용화되지 못했다.[5][6][7]

1938년, 독일의 베르너 플레치히는 금속판에 구멍을 뚫어 전자 빔을 제어하는 섀도 마스크 개념을 특허 냈다.[9] RCA는 이 개념을 발전시켜 세 개의 전자총을 사용하는 섀도 마스크 컬러 텔레비전을 개발했다.[9] 이 시스템은 빔 에너지의 대부분이 마스크에 전달되어 화면 밝기가 낮고 열 부하 문제가 발생하는 등의 단점이 있었지만,[12][13] 지속적인 개선을 통해 컬러 텔레비전의 표준 기술로 자리 잡았다.

CRT에서 사용되는 섀도 마스크는 얇은 금속판에 화소 수만큼 구멍이 뚫린 구조로, 화면 바로 뒤에 위치한다. 열팽창이 적은 소재를 사용하여 전자선에 의한 변형을 최소화하며, 애퍼처 그릴 방식에 비해 제조 비용이 저렴하고 수명이 길며, 고해상도 구현에 유리하다.

2. 1. 초기 컬러 텔레비전 시스템

컬러 텔레비전은 상업 방송이 보편화되기 전부터 연구되었지만, 1940년대 후반에 이르러서야 이 문제가 심각하게 고려되었다. 당시에는 빨강, 녹색, 파랑 신호(RGB)를 순차적으로 전송하는 여러 시스템이 제안되었다. 대부분의 실험 시스템은 일반적인 흑백 텔레비전 튜브 앞에 컬러 필터(또는 "젤")를 회전시키면서 전체 프레임을 순차적으로 방송했다. 각 프레임은 그림의 한 가지 색상을 인코딩했으며, 휠은 신호와 동기화되어 해당 색상 프레임이 표시될 때 올바른 젤이 화면 앞에 있었다. 이러한 모든 시스템은 서로 다른 색상에 대한 개별 신호를 전송했기 때문에 기존의 흑백 세트와 호환되지 않았다. 또 다른 문제는 기계적 필터로 인해 매우 높은 재생률을 사용하지 않으면 깜박임이 발생한다는 것이었다.[1] (이는 세 가지 색상 채널 모두에 단일 DLP 장치를 사용하는 DLP 기반 프로젝션 디스플레이와 개념적으로 유사하다.)

RCA는 1938년 조르주 발렌시가 처음 도입한 휘도-색차 시스템을 사용하여 완전히 다른 방식으로 연구를 진행했다. 이 시스템은 RGB 신호를 직접 인코딩하거나 전송하지 않고, 대신 이러한 색상을 "휘도"라고 하는 하나의 전체 밝기 수치로 결합했다. 이것은 기존 방송의 흑백 신호와 매우 유사하여 흑백 텔레비전에서도 그림을 표시할 수 있었다. 나머지 색상 정보는 고주파 변조를 사용하여 신호에 별도로 인코딩되어 합성 비디오 신호를 생성했다. 흑백 텔레비전에서는 이 추가 정보가 이미지 강도의 약간의 무작위화로 보였지만, 기존 세트의 제한된 해상도로 인해 실제로는 보이지 않았다. 컬러 세트에서는 추가 정보가 감지되어 필터링되고 휘도에 추가되어 원래 RGB를 다시 생성하여 표시했다.[2]

RCA의 시스템은 엄청난 이점이 있었지만, 디스플레이 튜브를 생산하기 어려워서 성공적으로 개발되지 못했다. 흑백 TV는 연속적인 신호를 사용했고 튜브는 인광체로 균일하게 코팅할 수 있었다. RCA의 시스템에서는 색상이 선을 따라 지속적으로 변화했는데, 이는 어떤 종류의 기계적 필터도 따라갈 수 없을 정도로 빨랐다. 대신, 인광체를 색상 점의 개별 패턴으로 분해해야 했다. 이러한 작은 점 각각에 올바른 신호를 집중시키는 것은 당시 전자총의 능력을 넘어섰다.[2]

2. 2. 다양한 시도와 한계

RCA를 포함한 여러 주요 회사들은 이미지를 재결합하는 다양한 방식으로 별도의 색상 "채널"을 계속 연구했다. 1940년 2월 5일, RCA는 세 개의 기존 튜브를 사용하여 유리판에 단일 이미지를 형성하는 시스템을 시연했지만, 이미지가 너무 어두워서 유용하지 않았다.[2]

존 로지 베어드는 1938년 2월 4일 반기계식 시스템을 사용하여 최초의 공개 컬러 텔레비전 방송을 하였고, 이후 완전 전자식 버전인 텔레크롬을 개발하고 있었다. 텔레크롬은 튜브 중앙의 형광체로 덮인 판의 양쪽에 각각 조준된 두 개의 전자총을 사용했다. 그러나 1946년 베어드가 사망했을 때 개발은 크게 진전되지 못했다.[3] 기어 튜브는 유사한 프로젝트였는데, 작은 삼면 형광체 덮인 피라미드로 덮인 단일 판의 뒷면을 향하는 유사한 배열의 총을 사용했다.[4]

그러나 이러한 모든 프로젝트는 색상이 한 형광체에서 다른 형광체로 번지는 문제가 있었다. 최선의 노력에도 불구하고 넓은 전자 빔은 개별 점에 정확히 맞출 만큼 충분히 조밀하게 초점을 맞출 수 없었다. 적어도 화면 전체에서는 그러했다. 게다가 이러한 장치의 대부분은 다루기 어려웠다. 화면 바깥쪽에 전자총을 배열하면 상당한 "데드 스페이스"가 있는 매우 큰 디스플레이가 되었다.

2. 3. 후방 전자총 방식의 노력

보다 실용적인 시스템은 튜브 뒤쪽에 단일 전자총을 사용하여 전면의 단일 다색 스크린을 쏘는 방식이었다. 1950년대 초반부터 여러 주요 전자 회사들이 이러한 시스템 개발을 시작했다.

제너럴 일렉트릭(GE)의 페네트론(Penetron)은 스크린 뒷면에 서로 겹쳐 칠해진 세 개의 형광체 층을 사용했다. 색상은 빔의 전자에너지를 변화시켜 형광체 층 내에서 다른 깊이까지 침투하도록 선택되었다. 그러나 실제로 올바른 층을 맞추는 것은 거의 불가능했고, GE는 결국 텔레비전 용도로 이 기술을 포기했지만, 색상 영역을 줄일 수 있는 항공 전자 공학 분야에서 어느 정도 사용되었다.[5]

파라마운트 픽처스는 스크린 바로 뒤에 2차 초점 장치를 사용하여 빔을 더욱 집중시키고 올바른 색상으로 유도하는 크로마트론(Chromatron) 개발에 많은 노력을 기울였다.[6] 필코(Philco)의 빔 인덱스 튜브("애플" 튜브)는 전자 빔이 통과할 때 전자 덩어리를 방출하는 추가 형광체 스트립을 사용했으며, 이 덩어리의 타이밍을 통해 빔의 통과를 조절하고 올바른 색상을 맞출 수 있었다.[7]

이러한 시스템 중 어느 것도 생산에 투입되기까지는 수년이 걸렸다. GE는 1960년대 초반까지 페네트론을 포기했다. 소니(Sony)는 1960년대에 크로마트론을 시도했지만 포기하고 대신 트리니트론(Trinitron)을 개발했다. 애플 튜브는 1970년대에 다시 등장하여 다양한 공급업체에서 어느 정도 성공을 거두었다. 그러나 RCA의 섀도우 마스크가 성공하면서 이러한 노력은 대부분 꺾였다. 1968년까지 판매된 모든 컬러 텔레비전은 RCA의 섀도우 마스크 개념을 사용했으며,[16] 그 해 봄에 소니는 최초의 트리니트론 세트를 출시했다.[8]

2. 4. 섀도 마스크의 등장

1938년, 독일의 발명가 베르너 플레치히는 금속판에 구멍을 뚫어 전자 빔을 제어하는 섀도 마스크 개념을 처음으로 특허 냈다. 이 특허는 1941년 프랑스에서 획득되었다. 이 구멍들은 빔이 스크린에 닿기 직전에 초점을 맞추는 데 사용되었다.[9]

RCA의 알 슈뢰더는 세 개의 전자총을 사용하는 유사한 구성을 연구했다. 연구실 책임자가 상사에게 이 설계의 가능성을 설명하자, 그는 이를 작동시키기 위해 무제한의 인력과 자금을 약속받았다.[9] 불과 몇 달 만에, 이 시스템을 사용하는 몇 개의 프로토타입 컬러 텔레비전이 제작되었다.[10]

튜브 뒷면에 델타 패턴으로 배열된 총은 금속판에 초점을 맞추도록 조준되었고, 평소와 같이 스캔했다. 스캔하는 동안 대부분의 시간 동안, 빔은 판 뒤쪽에 부딪혀 멈추게 된다. 그러나 빔이 구멍을 통과하면 판 앞의 형광체까지 계속 진행된다. 이러한 방식으로, 판은 빔이 색상 형광체 점과 완벽하게 정렬되도록 보장했다.[11]

그러나 이 시스템은 단순했지만, 몇 가지 심각한 문제가 있었다. 빔 에너지의 대부분이 스크린이 아닌 마스크에 전달되어, 기존 흑백 텔레비전과 같은 밝기의 이미지를 만들려면 전자총이 5배 더 강력해야 했다. 또한 화면의 많은 부분이 검은색이어서[12] 이미지를 밝히기 위해 더 많은 전력이 필요했고, 구현 비용도 훨씬 높았다.[13]

컬러 스크린에 전달되는 전력량이 너무 커서 열 부하가 심각한 문제였다. 섀도 마스크가 전자총으로부터 에너지를 흡수해 가열되고 팽창하면서 흐릿하거나 변색된 이미지를 초래했다(돔 현상).[12]

CRT에서 사용되는 섀도 마스크는 얇은 금속판에 원형 또는 사각형 구멍이 화소 수만큼 뚫린 구조로, 화면 표면 유리 바로 뒤쪽에 위치한다. 섀도 마스크는 전자선을 계속 쬐어 열을 받기 때문에 열팽창이 잘 일어나지 않는 소재가 사용된다. 애퍼처 그릴 방식에 비해 제조 비용이 저렴하고 내구 연한이 길며, 구조적 특징상 도트 피치를 작게 할 수 있어 고해상도 표시가 가능하다.

3. 시장 도입 및 발전

RCA는 섀도 마스크 시스템의 상용화에 어려움을 겪었다. 개념은 간단했지만, 합리적인 가격으로 제작하는 것이 특히 어려웠다. 1950년에 첫 번째 튜브가 생산되면서, 다른 기술들은 중단되었다.

전시 중 전자 기술의 발전으로 고주파 전송의 광범위한 영역이 실용화되었고, 1948년 미국 연방 통신 위원회(FCC)는 UHF 채널 사용에 대한 회의를 시작했다. 당시 미국에서 사용되는 텔레비전은 매우 적었기 때문에, 새로운 호환되지 않는 컬러 형식에 UHF를 사용하자는 의견이 모아졌다. 이 회의는 CBS에서 홍보하는 필드 시퀀셜 컬러 시스템을 선택했지만, RCA는 호환 가능한 컬러에 대한 노력을 발표했다. 그러나 너무 늦어 절차에 영향을 주지 못했고, CBS 컬러는 1950년에 도입되었다.[1]

RCA 시스템은 전국 텔레비전 시스템 위원회(NTSC)가 이 문제에 착수할 정도로 유망했다. 1950년에서 1953년 사이에 그들은 인간의 색상 인지에 대한 연구를 수행하여 RCA의 기본 개념을 개선했다.[15] 이 시점에서 RCA는 경쟁사보다 품질이 우수한 실험적인 섀도 마스크 세트를 생산했다. 이 시스템은 어둡고, 복잡하고, 크고, 전력을 많이 소비하고, 비쌌지만 사용 가능한 컬러 이미지를 제공했으며, 기존 흑백 신호와 호환되었다. 1953년까지 흑백 세트의 수가 폭발적으로 증가했기 때문에, 호환성은 중요한 문제였다.

NTSC가 새로운 표준을 FCC에 비준해 달라고 제안했을 때, CBS는 자체 시스템에 대한 관심을 버렸다.[1] 텔레비전 세트를 생산하려는 업계는 RCA의 특허를 라이선스했으며, 1950년대 중반까지 여러 세트가 상업적으로 출시되었다. 그러나 컬러 텔레비전은 같은 크기의 흑백 세트보다 훨씬 비쌌고, 현장 직원의 지속적인 조정이 필요했다. 1960년대 초까지도 북미 텔레비전 시장에서 작은 비율을 차지했지만, 1963년에는 주당 5,000개의 세트가 생산될 정도로 성장했다.[16]

3. 1. 기술 개선과 시장 수용

1960년대 RCA의 초기 특허가 만료되면서 여러 기술적 개선이 이루어졌다. 이 중 상당수는 1966년 제너럴 일렉트릭(GE)의 포타-컬러에 적용되어 큰 성공을 거두었다.[29] 1968년까지 거의 모든 회사들이 경쟁 디자인을 출시하면서 컬러 텔레비전은 고가의 선택 사양에서 주류 장치로 변화하였다.

섀도 마스크의 열팽창 문제는 여러 방법으로 해결되었다. 일부 회사들은 온도 조절 장치를 사용하여 온도를 측정하고 팽창에 맞춰 스캔을 조정했다.[29] 1960년대 후반에는 서로 다른 팽창률을 가진 바이메탈 섀도 마스크가 널리 사용되었다. 1980년대에는 인바와 같은 저팽창 합금이 도입되었다.[26] 이러한 재료는 쉽게 자화되어 색상에 영향을 줄 수 있다는 단점이 있었지만, 자동 탈자 기능으로 해결할 수 있었다.[29] 마지막으로 도입된 해결책은 "스트레치 마스크"였는데, 고온에서 프레임(주로 유리)에 용접한 후 튜브 내부에 용접하는 방식이었다. 냉각되면서 마스크는 큰 장력을 받아 전자총에서 발생하는 열을 제거할 수 있었다.[27][28]

1960년대에는 밝기 향상도 중요한 과제였다. 희토류 형광체를 사용하면 더 밝은 색상을 표현하고 전자 빔의 강도를 줄일 수 있었다. 자동 초점 시스템과 같이 더 나은 포커싱 시스템은 화면에서 점의 크기를 더 크게 만들 수 있게 했다. 포타-컬러는 이러한 두 가지 발전을 모두 사용했으며, 전자총을 삼각형 대신 나란히 배치하여 점을 수직으로 확장시켜 화면의 더 많은 부분을 덮는 슬롯 형태로 만들었다. 이 디자인은 "슬롯 마스크"라고도 불리며 1970년대에 널리 사용되었다.[29][30]

1970년대 초에는 형광체 패턴 내부 공간 주변에 검은색 재료를 사용하는 기술이 널리 도입되었다. 이 검은색 페인트는 실내의 주변광을 흡수하여 시청자에게 반사되는 빛의 양을 줄였다. 이를 위해 형광체 점의 크기를 줄여 밝기가 감소했지만, 향상된 명암비 덕분에 전면판을 더 투명하게 만들 수 있었다. 형광체에서 더 많은 빛이 시청자에게 도달하여 실제 밝기는 증가했다.[29]

3. 2. 제조

섀도우 마스크는 광화학 에칭 공정을 사용하여 제작된다. 먼저 강철[17] 또는 인바 합금[18] 시트에 감광성 수지를 코팅하고 굳힌 후, 포토마스크를 통해 자외선에 노출시킨다. 노출되지 않은 레지스트를 제거하고, 액체 산으로 금속을 에칭한 다음, 감광성 수지를 제거한다. 하나의 포토마스크는 다른 포토마스크보다 더 큰 검은 반점을 가지고 있어 테이퍼진 조리개를 생성한다.[19]

섀도우 마스크는 금속 조각[20] 또는 깔때기나 화면 유리에 각각 융합된 레일 또는 프레임[21][22][23]을 사용하여 스크린에 설치된다. 이는 섀도우 마스크를 장력으로 유지하여 왜곡을 최소화하고, 더 높은 이미지 밝기 및 대비를 가능하게 한다. TV에 사용되는 CRT의 경우, 전자빔이 섀도우 마스크를 가열하여 열팽창을 일으키면서 발생하는 왜곡을 보상하기 위해 바이메탈 스프링을 사용할 수 있다.[25]

CRT 분야에서 사용되는 섀도우 마스크는 전자 빔을 RGB (빨강, 녹색, 파랑) 각 색상으로 할당하기 위한 것이다. 금속 얇은 판에 원형 또는 사각형 구멍이 화소 수만큼 뚫린 구조로, 화면 표면의 유리 바로 뒤쪽에 위치한다. 섀도우 마스크는 전자선을 계속 쬐어 열을 받기 때문에, 열팽창이 잘 일어나지 않는 소재가 사용된다. 애퍼처 그릴 방식에 비해 제조 비용이 저렴하고 내구 연한이 길다. 구조적 특징상 도트 피치를 작게 할 수 있어, 고해상도 표시가 가능하다.

4. 구조

섀도우 마스크는 CRT에서 전자 빔을 RGB(빨강, 녹색, 파랑) 각 색상으로 할당하기 위해 사용되는 부품이다. 금속 얇은 판에 화소 수만큼 원형 또는 사각형 구멍이 뚫려 있으며, 화면 유리 바로 뒤쪽에 위치한다.[11] 섀도우 마스크는 전자 빔이 정확한 위치의 형광체에 도달하도록 돕는 역할을 한다.

이와 유사한 기술로는 격자형의 슬롯 마스크나 애퍼처 그릴이 있다.

섀도우 마스크는 전자선을 계속 쬐어 열을 받기 때문에 열팽창이 잘 일어나지 않는 소재로 만들어진다. 애퍼처 그릴 방식에 비해 제조 비용이 저렴하고 내구 연한이 길다는 장점이 있다. 또한, 구조적으로 도트 피치를 작게 만들 수 있어 고해상도 표현이 가능하다.

참조

[1] 웹사이트 CBS Field Sequential Color System http://novia.net/~er[...] 2010-01-05
[2] 웹사이트 RCA Dot Sequential Color System http://novia.net/~er[...] 2010-01-07
[3] 웹사이트 The World's First High Definition Colour Television System http://www.bairdtele[...] 2017-05-11
[4] 뉴스 Teacher's Tube https://web.archive.[...] Time 1950-03-20
[5] 서적 Electronics: The Life Story of a Technology https://books.google[...] Johns Hopkins University Press 2022-09-15
[6] 특허 U.S. Patent 2,692,532 https://patents.goog[...]
[7] 간행물 A New Beam-Indexing Coor Television Display System Proceedings of the IRE 1956-09
[8] 서적 Sony: The Private Life Houghton Mifflin Harcourt 2001
[9] 문서 Abramson & Sterling
[10] 문서 Abramson & Sterling
[11] 문서 Gilmore
[12] 문서 Gilmore
[13] 문서 Gilmore
[14] 문서 Gilmore
[15] 웹사이트 Colorimetry standards http://broadcastengi[...] Broadcast Engineering 2011-05-24
[16] 문서 Gilmore
[17] 웹사이트 Anti-doming composition for a shadow-mask and processes for preparing the same https://patents.goog[...] 2020-12-05
[18] 웹사이트 Shadow mask https://patents.goog[...] 2020-12-05
[19] PDF http://www.earlytele[...] 2021-01-26
[20] 웹사이트 Shadow mask mounting arrangement for color CRT https://patents.goog[...] 2020-12-05
[21] 웹사이트 Flat tension mask type cathode ray tube https://patents.goog[...] 2020-12-05
[22] 웹사이트 Cathode ray tube with bracket for mounting a shadow mask frame https://patents.goog[...] 2020-12-05
[23] 웹사이트 Color cathode ray tube with improved shadow mask mounting system https://patents.goog[...] 2020-12-05
[24] PDF https://pure.tue.nl/[...] 2020-11-12
[25] 웹사이트 Popular Science https://books.google[...] Bonnier Corporation 1986-08-05
[26] 뉴스 Taking the heat out of flat-screen television... https://books.google[...] New Scientist 1985-10-03
[27] 서적 Computer graphics: principles and practice https://books.google[...] Addison-Wesley 1996
[28] 서적 Popular Science https://books.google[...] Bonnier Corporation 1986
[29] 뉴스 1970 Television: The Picture Is Brighter Than Ever https://books.google[...] Popular Science 1969-10
[30] 서적 DTV handbook https://books.google[...] McGraw-Hill 2001


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