In this work, characteristics of microplasma for enhancement of efficiency and reliability of flexible photoluminescent display was investigated. For enhancing the efficiency of microplasma, the microplasma modes generated in a plasma display with a coplanar-gap and an auxiliary electrode were investigated using the discharge current peak time (discharge delay) and discharge current. From the measurement results of the discharge current peak time and discharge current, three types of modes were classified as follows: mode 1 showed a decrease in both the discharge current and the discharge delay, mode 2 showed a decrease in the discharge current and an increase in the discharge delay, and mode 3 showed an increase in the discharge current and a decrease in the discharge delay. In addition, to illustrate the phenomena of the three microplasma modes generated in a coplanar- gap with the auxiliary electrode, discharge models were suggested using the wall charge state and field effect. From the measurement of IR spectra of 823 and 828nm, the infrared (IR) efficiency increased in modes 1 and 2 with an increase in the auxiliary pulse voltage. However, in mode 3, the IR efficiency started to decrease. According to the measurement results, modes 1 and 2 are suitable for microplasma generated in a coplanar-gap with an auxiliary electrode to obtain high efficacy. For more detailed investigation, the characteristics of the discharge modes in microplasma generated in a plasma display with a coplanar gap and an auxiliary electrode were investigated in accordance with various plate gaps in the range of 200 to 1,000 $\mu m$ and coplanar gaps in the range of 220 to 2,000 $\mu m$. The measurement results of the discharge current peak time, discharge current, and luminous efficacy showed that, mode 2 and mode 3 appeared in microplasma in cases of various plate gaps and coplanar gaps and that the luminous efficacy increased in mode 2 and decreased in mode 3. Additionally, stabilized microplasma in a plasma display with an auxiliary electrode was obtained when the plate gap was longer than the coplanar gap, and the maximum luminous efficacy was obtained when the plate gap was similar to the coplanar gap. According to the measurement results, the discharge modes and the parametric studies are attractive to obtain and design for high luminous efficacy in a plasma display with a coplanar gap and an auxiliary electrode.
This work also investigated the realization of a flexible photoluminescent display using the microplasma. First of all, to fabricate the flexible photoluminescent display, a similar structure and, while, the different materials compared to a conventional photoluminescent display was proposed and selected. The different plastic films were used as front and rear substrates to assure the flexibility of device. The metal was used as electrodes and the polymer solution was used as a dielectric layer after the curing process. To protect a dielectric layer from the discharge, a MgO layer was used as a protective layer and finally the UV curable epoxy was used as a sealant. After a Ne gas was injected, the microplasma was successfully generated in a fabricated flexible photoluminescent display and had the sustain voltage margin. In addition, the electrical and optical characteristics of microplasma generated in a prototype flexible photoluminescent display were almost identical to the conventional photoluminescent display. Finally, microplasma showed the stable discharge when a flexible photoluminescent display was bended. However, the prototype flexible photoluminescent display showed the serious degradation problem due to gas contamination which affected the reliability. To solve this problem, two mechanisms of the discharge gas contamination were proposed and the matching properties between microplasma and various materials based on two mechanisms were investigated via electrical and optical measurement. In addition, to more detailed investigation for phenomena of microplasma generated in the flexible photoluminescent display, the higher total gas pressure and lower operating sustain frequency was applied. From the results of the matching properties between microplasma and materials, various methods for improving the reliability of the flexible photoluminescent display was proposed and investigated. Based on above results, the reliability of a flexible photoluminescent display was improved and showed the potential as future flexible displays.
마이크로 플라즈마란 1mm 이하의 dimension을 가지며, 수백 torr의 동작 전압을 갖는 플라즈마를 말한다. 이러한 특성 때문에 현재 flat panel display, medical device, environmental equipment, UV radiation source, plasma reactor, plasma cathode 등과 같은 다양한 분야에 응용이 되고 있다. 특히 최근에 flat panel display에 적용되어 PDP라는 제품은 선보였고, 현재 많은 연구가 진행되고 있다. 더불어, 이제 곧 다가올 정보 지능 사회에서는 정보의 이용이 모든 곳에서 가능한 디지털 컨버전스 및 유비쿼터스 시대가 될 것이다. 이러한 정보 지능 사회에서의 디스플레이는 기존과는 다른 얇고, 가볍고, 저가격을 요구한다. 이러한 요구에 대해 기존의 디스플레이는 충족을 시키지 못 해, 새로운 디스플레이가 요구되고 있고, 이에 유력한 후보로 플렉시블 디스플레이가 각광받고 있다. 이러한 플렉시블 디스플레이를 구현하기 위해 PDP, LCD, OLED, Electrophoretic 등과 같은 다양한 기술을 응용할 수 있는데, 그 중 마이크로 플라즈마를 이용한 PDP 기술은 간단한 구조, 자발광 특성, 고 색순도, 광 시야 각, 저 가격, 빠른 응답 속도 등과 같은 장점을 지니고 있어 플렉시블 디스플레이를 구현하기 위한 유력한 후보라 할 수 있다. 현재 마이크로 플라즈마를 이용한 플렉시블 광자 발광 디스플레이에 대해 발표된 연구 결과를 보면, 미국 IST사의 plasma sphare의 이용한 소자, 이란 테헤란 대학의 DC plasma를 이용한 소자, 대한민국 홍익대학교의 fence structured electrode를 이용한 소자, 미국 일리노이 대학의 microcavity를 이용한 소자가 있으며, 최근 SID 08에서 발표된 일본 시노다 그룹의 plasma tubes arrays를 이용한 소자가 발표됐다. 하지만, 현재까지 플렉시블 광자 발광 디스플레이에 대한 연구는 초기 단계이며, 많은 연구가 진행되지 않고 있다. 그러므로, 마이크로 플라즈마를 이용한 플렉시블 광자 발광 디스플레이에 대한 연구가 필요하다. 플렉시블 광자발광 디스플레이를 구현하기 위해서는 우선적으로 소자를 구현하기 위한 물질, 적절한 구조, 고효율 및 신뢰성에 대한 연구가 선행 되어야 한다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 플렉시블 광자 발광 디스플레이의 효율 및 신뢰성 향상을 위한 마이크로 플라즈마에 대한 연구를 진행했다.
마이크로 플라즈마의 효율을 향상시키기 위한 연구로, 기존의 구조에 보조전극의 삽입한 구조에서 발생된 마이크로 플라즈마의 방전 최고 시간 및 방전 전류의 측정을 통해 마이크로 세 가지의 마이크로 플라즈마의 방전 모드를 제안하였다. 방전 모드 1은 방전 최고 시간과 방전 전류가 감소하는 경우, 방전 모드2는 방전 최고 시간은 증가하지만 방전 전류가 감소하는 경우, 방전 모드 3은 방전 최고 시간은 감소하지만 방전 전류가 증가하는 경우이며, 이러한 마이크로 플라즈마 모드의 현상을 설명하기 위해 벽 전하 모델을 제시하였다. 이렇게 제시된 마이크로 플라즈마 모드에 대해 infrared(IR) 측정을 통해 효율을 측정 해 본 결과, 방전 모드 1과 2에서는 보조 전극에 인가한 전압이 증가함에 따라 효율이 증가하였고, 방전 모드 3에서는 효율이 감소하였다. 이러한 결과로부터, 방전 모드 1과 2는 보조 전극을 갖는 구조에서 발생된 마이크로 플라즈마의 고효율을 얻는데 적합함을 알 수 있었다. 이러한 방전 모드는 소자의 구조에 대한 의존성을 지닐 것으로 판단되어, 소자의 구조 변화에 따른 방전 모드에 대한 연구를 진행하였다. 소자 구조 변화를 위해 전극 간격과 격벽의 높이를 변화 시켜, 각 구조에서 발생된 마이크로 플라즈마의 방전 최고 시간 및 방전 전류를 측정 해본 결과 모든 구조에서 방전 모드 2와 3이 나타남을 알 수 있었고, 방전 모드 2에서는 효율이 증가되고 방전 모드 3에서는 효율이 감소됨을 알 수 있었고, 앞서 제시된 모드가 소자 구조에 따라 일치함을 알 수 있었다. 더불어, 안정적이 마이크로 플라즈마를 얻기 위해서는 격벽의 높이가 전극 간격보다 커야 하며, 최고 휘도 효율을 얻기 위해서는 격벽 높이가 전극간격과 같거나 유사해야 함을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통해 방전 모드와 수치적 연구는 보조전극을 갖는 광자 발광 소자에서 고효율을 얻기 위해 적합함을 알 수 있다.
다음으로, 플렉시블 광자 발광 디스플레이의 신뢰성 향상을 위한 연구를 진행했다. 이러한 연구를 위해 우선 마이크로 플라즈마를 이용한 플렉시블 광자 발광 디스플레이 소자를 구현 해야 한다. 이를 위해 기존의 광자 발광 디스플레이와 유사한 구조를 제안하였고, 저온 공정 온도 및 휨세를 갖는 물질을 선택했다. 이러한 구조 및 물질을 이용해 초기 플렉시블 광자 발광 디스플레이를 제작하였고, 제작된 소자에 전압을 인가해 마이크로 플라즈마가 성공적으로 발생되었다. 또한, 이렇게 발생된 마이크로 플라즈마는 기존의 광자 발광 디스플레이에서와 유사한 전기적, 광학적 특성을 지니며, 디스플레이 구현에 중요한 요소인 유지 전압 마진을 가지며, 휨세를 주었을 경우에도 방전이 안정적으로 유지되었다. 그러나, 이러한 구조에서 발생된 마이크로 플라즈마는 장시간 방전 시, 방전 가스 오염에 기인한, 심각한 성능 저하를 보였으며, 이른 신뢰성 저하를 가져온다. 이러한 플렉시블 광자 발광 디스플레이의 신뢰성 향상을 위해 방전 가스 오염은 반드시 해결되어야 할 문제이며, 이를 위해 두 가지 오염 메커니즘을 제안하였다. 이러한 메커니즘을 기반으로 마이크로 플라즈마와 소자를 구성하는 물질들 간의 매칭성에 대한 연구를 진행했다. 이러한 매칭성에 대한 연구를 바탕으로 물질의 적합성 및 문제가 있을 경우 이를 해결하기 위한 방법을 제안하였다. 더불어, MgO의 공정 온도에 따른 연구를 진행하였다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 플렉시블 광자 발광 디스플레이의 신뢰성을 향상 시킬 수 있었고, 또한 신뢰성 향상을 위한 방법을 제시하였다.
이상의 결과로부터, 플렉시블 광자 발광 디스플레이의 효율 및 신뢰성 향상에 대한 연구를 하였고, 미래의 디스플레이로서의 가능성을 보였다.
