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브라운관

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집속 및 편향된 전자빔(녹색)을 보여주는 음극선관 단면도(축척 아님)
오실로스코프용 음극선관
컬러 음극선관의 절단 렌더링:
  1. 세 개의 전자 방출체(적색, 녹색, 청색 형광체 점용)
  2. 전자빔 및 전자총
  3. 집속 코일
  4. 편향 코일
  5. 최종 양극(일부 수신관 매뉴얼에서는 "울터(ultor)"[1]로 지칭됨)용 연결부
  6. 표시된 이미지의 적색, 녹색, 청색 부분을 위한 빔을 분리하는 섀도우 마스크
  7. 적색, 녹색, 청색 구역이 있는 형광체 층(스크린)
  8. 스크린 안쪽의 형광체 코팅면 확대
단색 음극선관의 절단 렌더링:
  1. 편향 코일
  2. 전자빔 및 전자총
  3. 집속 코일
  4. 스크린 안쪽에 도포된 형광체 층; 전자빔이 충돌할 때 빛을 발함
  5. 캐소드 가열용 필라멘트
  6. 관 안쪽의 흑연 층
  7. 양극 전압 와이어가 관으로 들어가는 고무 또는 실리콘 가스켓(양극 컵)
  8. 캐소드
  9. 기밀이 유지되는 관의 유리 본체
  10. 스크린
  11. 요크 내부의 코일
  12. 전자빔의 강도와 그에 따른 형광체의 발광량을 조절하는 제어 전극
  13. 캐소드, 필라멘트 및 제어 전극용 접촉 핀
  14. 양극 고전압용 와이어
가시적인 차이점은 단일 전자총, 균일한 백색 형광체 코팅, 그리고 섀도우 마스크의 부재뿐이다.

브라운관(독일어: Braunsche Röhre), 또는 음극선관(陰極線管, cathode-ray tube, 약자 CRT)은 하나 이상의 전자총을 포함하는 진공관으로, 전자빔을 방출하고 이를 조작하여 음극선 발광 스크린에 이미지를 표시한다.[2] 이 이미지는 오실로스코프의 전기적 파형, 아날로그 텔레비전(TV)의 비디오 프레임, 컴퓨터 모니터의 디지털 래스터 그래픽스, 또는 레이더 표적과 같은 기타 현상을 나타낼 수 있다. 음극선관은 메모리 장치로도 사용되었으며, 이 경우 스크린은 관찰자에게 보이도록 의도되지 않는다. 음극선이라는 용어는 캐소드에서 방출되는 것이 전자빔이라는 사실이 이해되기 전, 처음 발견되었을 때 전자빔을 설명하기 위해 사용되었다.

음극선관 TV와 컴퓨터 모니터에서는 관의 전면부 전체를 래스터 스캔이라고 불리는 고정된 패턴으로 반복적이고 체계적으로 스캔한다. 컬러 장치에서는 비디오 신호를 참조로 삼아 가산 혼합의 세 가지 원색(적색, 녹색, 청색) 각각에 대한 세 개의 전자빔 강도를 조절하여 이미지를 생성한다.[3] 현대의 음극선관 모니터와 TV에서 빔은 편향 요크를 사용한 자기 편향에 의해 휘어진다. 정전편향은 주로 오실로스코프에서 사용된다.[3]

편향 코일과 전자총을 보여주는 LG.Philips Displays의 14인치 컬러 음극선관 뒷면
1897년 브라운의 오리지널 냉음극 음극선관
1950년대 초반 미국의 전형적인 단색 음극선관 TV
래스터 스캔 패턴에 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 그려지는 광선을 보여주는 음극선관 TV의 스냅샷
비월 주사 방식을 이용한 이미지 구성 애니메이션
컬러 컴퓨터 모니터 전자총

이 관은 무겁고 깨지기 쉬우며 전면 스크린 면에서 뒷면 끝까지의 길이가 긴 유리 외함이다. 내부에서 방출된 전자가 스크린 면에 닿기 전 공기 분자와 충돌하여 산란되는 것을 방지하기 위해 내부는 거의 진공 상태여야 한다. 따라서 내부는 대기압의 100만 분의 1 미만으로 배기된다.[4] 이로 인해 음극선관을 다룰 때는 유리 파편을 빠른 속도로 튀게 할 수 있는 격렬한 내파의 위험이 따른다. 전면부는 일반적으로 파손에 강하고 대부분의 엑스선 방출을 차단하기 위해 두꺼운 납유리나 특수 바륨-스트륨튬 유리로 만들어진다. 이 관이 음극선관 TV와 컴퓨터 모니터 무게의 대부분을 차지한다.[5][6]

2010년대 초반부터 음극선관은 제조 및 운영 비용이 저렴할 뿐만 아니라 훨씬 가볍고 얇은 액정 디스플레이(LCD), 플라스마 디스플레이, 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이와 같은 평판 디스플레이 기술로 대체되었다.[7] 평판 디스플레이는 매우 큰 크기로도 제작할 수 있는 반면, 음극선관의 최대 크기는 약 40–45 inches (100–110 cm) 정도였다.[8][9]

음극선관은 텅스텐 코일을 전기적으로 가열하여 음극선관 뒷면의 캐소드를 가열함으로써 작동하며, 이로 인해 전자가 방출되고 전극에 의해 변조 및 집속된다.[10] 전자는 편향 코일이나 플레이트에 의해 유도되며, 양극은 전자를 형광체 코팅된 스크린을 향해 가속시킨다. 전자가 스크린에 부딪히면 빛이 발생한다.[11][12][13]

역사

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발견

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음극선은 율리우스 플뤼커와 요한 빌헬름 히토르프에 의해 발견되었다.[14] 히토르프는 캐소드(음전극)에서 어떤 알 수 없는 선이 방출되어 관의 발광하는 벽에 그림자를 드리울 수 있다는 것을 관찰했으며, 이는 그 선이 직선으로 여행한다는 것을 나타냈다. 1890년, 아서 슈스터는 음극선이 전기장에 의해 휘어질 수 있음을 증명했고, 윌리엄 크룩스는 자기장에 의해 휘어질 수 있음을 보여주었다. 1897년, 조지프 존 톰슨은 음극선의 비전하를 측정하는 데 성공하여, 그것이 원자보다 작은 음으로 대전된 입자들로 구성되어 있음을 보여주었다. 이것이 최초의 "아원자 입자"이며, 1891년 아일랜드의 물리학자 조지 존스톤 스토니에 의해 이미 전자라고 명명되어 있었다.

음극선관의 초기 버전은 1897년 독일의 물리학자 페르디난트 브라운에 의해 발명된 브라운관으로 알려져 있다.[15] 그것은 크룩스관을 수정한 냉음극관 다이오드로, 형광체가 코팅된 스크린을 갖추고 있었다. 브라운은 음극선관을 디스플레이 장치로 사용할 것을 처음으로 고안한 인물이었다.[16] 브라운관은 20세기 TV의 토대가 되었다.[17]

1908년, 영국 왕립학회의 회원인 알란 아치볼드 캠벨 스윈턴은 과학 저널 네이처에 서신을 발표하여, 음극선관(또는 브라운관)을 송신 및 수신 장치로 모두 사용함으로써 "원거리 전기 비전(distant electric vision)"이 어떻게 달성될 수 있는지 설명했다.[18] 그는 1911년 런던에서 행한 연설에서 자신의 비전을 확장했으며, 이는 타임스[19]와 뢴트겐 학회 저널(Journal of the Röntgen Society)에 보도되었다.[20][21]

열음극을 사용한 최초의 음극선관은 존 버트런드 존슨(존슨 노이즈라는 용어의 기원이 된 인물)과 웨스턴 일렉트릭의 해리 와이너 와인하트(Harry Weiner Weinhart)에 의해 개발되었으며, 1922년에 상업용 제품이 되었다.[22] 열음극의 도입으로 양극 가속 전압을 낮추고 전자빔 전류를 높일 수 있게 되었는데, 이는 양극이 이제 열음극에서 방출된 전자만을 가속시키면 되었고 더 이상 냉음극에서 전자 방출을 유도하기 위해 매우 높은 전압을 가질 필요가 없었기 때문이다.[23]

발전

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음극선관 기술은 1897년 카를 페르디난트 브라운이 음극선 오실로스코프 개발을 기술한 논문에서 유래한다. 브라운의 논문은 조지프 존 톰슨이 음극선이 현재 전자라고 불리는 미립자의 흐름이라는 것을 발견하기 몇 달 전에 발표되었다.[24]: 66 

1926년, 다카야나기 겐지로는 40라인 해상도의 이미지를 수신하는 기계식 비디오 카메라가 장착된 음극선관 TV 수신기를 시연했다.[25] 1927년까지 그는 해상도를 100라인으로 개선했으며, 이는 1931년까지 타의 추종을 불허했다.[26] 1928년, 그는 음극선관 디스플레이에 인간의 얼굴을 하프톤으로 전송한 최초의 인물이 되었다.[27]

1927년, 필로 판즈워스는 TV 프로토타입을 제작했다.[28][29][30][31][32]

음극선관(CRT)이라는 이름은 1929년 발명가 블라디미르 K. 즈보리킨에 의해 명명되었다.[27]: 84  그는 이후 RCA에 고용되었으며, RCA는 1932년에 음극선관을 일컫는 용어인 "키네스코프"에 대한 상표를 획득했다. RCA는 1950년에 이 용어를 자발적으로 퍼블릭 도메인으로 방출했다.[33]

1930년대, 알렌 B. 듀몬트는 사용 수명이 1,000시간에 달하는 최초의 음극선관을 제작했으며, 이는 TV가 널리 보급되는 계기 중 하나가 되었다.[34]

음극선관을 장착하여 상업적으로 제조된 최초의 전자식 TV 수상기는 1934년 독일의 텔레풍켄에 의해 생산되었다.[35][36]

1947년에는 최초의 알려진 인터랙티브 전자 게임이자 음극선관 스크린을 도입한 최초의 사례인 음극관 놀이 장치가 개발되었다.[37]

1949년부터 1960년대 초까지 원형 음극선관에서 직사각형 음극선관으로의 전환이 이루어졌다. 최초의 직사각형 음극선관은 1938년 텔레풍켄에 의해 만들어졌으나,[38][23][39][40][41][42] 원형이 대세였던 시절 유럽의 TV 수상기는 화면 일부를 가려 직사각형처럼 보이게 했고, 미국 수상기는 전면 전체를 노출하거나 상하단만 가리는 경우가 많았다.[43][44]

1954년, RCA는 대량 생산된 최초의 컬러 TV 수상기인 CT-100에 사용된 15GP22를 비롯한 초기 컬러 음극선관을 생산했다.[45][46] 최초의 직사각형 컬러 음극선관 또한 1954년에 제작되었으나,[47][48] 일반 대중에게 제공된 최초의 직사각형 컬러 음극선관은 1963년에 만들어졌다. 직사각형 컬러 음극선관 제작 시 해결해야 했던 과제 중 하나는 화면 모서리에서의 수렴(convergence) 문제였다.[41][40] 1965년, 더 밝은 희토류 형광체가 어둡고 카드뮴을 함유한 적색 및 녹색 형광체를 대체하기 시작했다. 결국 청색 형광체도 교체되었다.[49][50][51][52][53][54]

음극선관의 크기는 1938년 20인치에서 시작하여 점차 커졌다.[55][a] 1955년에는 21인치,[57][58] 1974년 25인치, 1980년 30인치, 1985년 35인치,[59] 1989년에는 43인치까지 커졌다.[60] 세계 최대 크기는 45인치의 소니 KX-45ED1이었으나 현재 작동 모델은 단 하나만 존재하는 것으로 알려져 있다.[61][62]

1960년, 에이컨 관(Aiken tube)이 발명되었다. 이는 단일 전자총을 갖춘 평판 디스플레이 형식의 음극선관이었다.[63][64] 편향은 정전 및 자기 방식을 사용했으나 특허 문제로 인해 생산되지 못했다. 이는 항공기용 전방 시현기로도 구상되었다.[65] 특허 문제가 해결되었을 때 RCA는 이미 기존 음극선관에 막대한 투자를 한 상태였다.[66]

1968년에는 아퍼처 그릴(Aperture Grille) 기술에 기반한 KV-1310 모델과 함께 소니 트리니트론 브랜드가 출시되었다. 이는 출력 밝기를 개선했다는 찬사를 받았다.[67] 트리니트론 스크린은 고유한 3중 캐소드 단일 전자총 구조 덕분에 직립한 원통형 모양이 특징이었다.

1987년, 제니스에 의해 컴퓨터 모니터용 평면 음극선관이 개발되어 반사를 줄이고 이미지 대비와 밝기를 높이는 데 기여했다.[68][69] 이러한 음극선관은 가격이 비싸 컴퓨터 모니터 용도로 제한되었다.[70] 저렴하고 널리 이용 가능한 플로트 유리를 사용하여 평면 음극선관을 생산하려는 시도도 있었다.[71]

1990년, HD 해상도를 갖춘 최초의 음극선관인 소니 KW-3600HD가 시장에 출시되었다. 이는 일본 국립박물관에 의해 "역사적 자료"로 간주된다.[72][73] 1992년에는 HD 음극선관 프로젝션 TV인 소니 KWP-5500HD가 출시되었다.[74]

1990년대 중반에는 연간 약 1억 6천만 개의 음극선관이 생산되었다.[75]

2000년대 중반, 캐논과 소니는 각각 표면 전도 전자 방출 디스플레이(SED)와 전계 방출 디스플레이(FED)를 선보였다. 둘 다 전자총 대신 서브픽셀당 하나(SED) 또는 여러 개(FED)의 전자 방출체를 갖춘 평판 디스플레이였다. 전자 방출체는 유리판 위에 배치되었고, 양극 전압을 사용하여 전자를 형광체가 있는 인접한 유리판으로 가속시켰다. 전자는 집속되지 않았으며, 각 서브픽셀은 본질적으로 플러드 빔(flood beam) 음극선관이었다. LCD 기술이 훨씬 저렴하여 이러한 디스플레이 시장이 사라졌기 때문에 대량 생산에 이르지는 못했다.[76]

음극선관의 마지막 대규모 제조사였던 비디오콘(Videocon)은 2015년에 생산을 중단했다.[77][78] 음극선관 TV도 비슷한 시기에 생산이 중단되었다.[79]

2012년, 삼성 SDI와 다른 몇몇 주요 기업들은 TV용 음극선관의 가격 협정으로 인해 유럽 연합 집행위원회로부터 벌금을 부과받았다.[80] 2015년 미국에서, 2018년 캐나다에서도 비슷한 일이 발생했다.[81][82]

음극선관 컴퓨터 모니터의 전 세계 판매량은 2000년 9천만 대로 정점을 찍었고, 음극선관 TV는 2005년 1억 3천만 대로 정점을 찍었다.[83]

쇠퇴

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1990년대 후반부터 2000년대 초반까지 음극선관은 부피가 작다는 장점 덕분에 15인치 미만의 컴퓨터 모니터부터 LCD로 교체되기 시작했다.[84][85] 음극선관 생산을 중단한 최초의 제조사 중에는 2001년의 히타치 제작소가 있었으며,[86][87] 2004년에는 일본의 소니가 그 뒤를 이었다.[88] 평판 디스플레이는 가격이 하락하며 2000년대에 음극선관을 급격히 대체하기 시작했다. LCD 모니터 판매량은 2003~2004년에 음극선관을 앞지르기 시작했고,[89][90][91] LCD TV 판매량은 2005년 일부 시장에서 음극선관을 추월했다.[92] 삼성 SDI는 2012년에 음극선관 생산을 중단했다.[93]

수십 년 동안 디스플레이 기술의 주류였음에도 불구하고, 음극선관 기반의 컴퓨터 모니터와 TV는 이제 구식이 되었다. 음극선관 스크린에 대한 수요는 2000년대 후반에 급감했다.[94] 삼성과 LG가 LCD 및 플라스마와 경쟁하기 위해 더 얇고 저렴한 모델을 내놓으며 노력했음에도 불구하고,[95][96][97][98][99] LCD의 가격이 하락하고 부피, 무게, 벽걸이 가능성 등의 이점이 부각되면서 결국 음극선관은 개발도상국 시장과 빈티지 애호가들의 영역으로 밀려나 구식 기술이 되었다.

일부 산업에서는 교체에 따른 노력, 가동 중단 시간 또는 비용이 너무 크거나 대체제가 없어 여전히 음극선관을 사용한다. 대표적인 예가 항공 산업이다. 보잉 747-400 및 에어버스 A320과 같은 비행기는 기계식 계기 대신 글래스 콕핏에 음극선관 계기를 사용했다.[100] 루프트한자와 같은 항공사는 여전히 항법 업데이트를 위해 플로피 디스크와 함께 음극선관 기술을 사용한다. 또한 유사한 이유로 일부 군용 장비에도 사용된다. 2022년 기준으로 적어도 한 회사가 이러한 시장을 위해 새로운 음극선관을 제조하고 있다.[101]

음극선관의 인기 있는 소비자 용도는 레트로 게임이다. 일부 게임은 음극선관 디스플레이 하드웨어가 없으면 플레이가 불가능하다. 라이트 건은 음극선관의 순차적 타이밍 특성에 의존하기 때문에 오직 음극선관에서만 작동한다. 사람들이 음극선관을 사용하는 또 다른 이유는 디스플레이의 자연스러운 이미지 혼합 효과 때문이다. 음극선관용으로 설계된 일부 게임은 이를 활용하여 디테일과 색상을 혼합함으로써 미 가공 픽셀을 미적 매력과 다양성을 갖춘 부드러운 이미지로 변환한다.[102] 또한 LCD와 비교하여 음극선관은 컨트롤러 조작과 화면 반영 사이의 입력 지연이 적어 정밀한 제어가 가능하다.[103]

구조

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본체

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1947년 제조 중인 소형 원형 음극선관(스크린에 형광체를 코팅하는 중)
휴대용 단색 음극선관 TV
트리니트론 음극선관 컴퓨터 모니터
TV 내부의 단색 음극선관. 음극선관은 TV에서 가장 큰 단일 부품이다.
매킨토시 플러스 컴퓨터 내부의 단색 음극선관

음극선관의 본체는 보통 스크린/패널, 원추부(funnel), 넥(neck)의 세 부분으로 구성된다.[104][105][106][107][108] 결합된 스크린, 원추부, 넥을 벌브(bulb) 또는 외함(envelope)이라고 한다.[40]

넥은 유리 튜브로 만들어지며,[109] 원추부와 스크린은 유리를 금형에 붓고 압착하여 만든다.[110][111][112][113][114] CRT 유리 또는 TV 유리라고 불리는 이 유리는 엑스선을 차단하면서 스크린에서 적절한 빛 투과를 제공하거나 원추부와 넥에서 높은 전기 절연성을 갖추는 등의 특수한 성질이 필요하다. 유리에 특성을 부여하는 배합을 용융물(melt)이라고도 한다. 이 유리는 오염물과 결함이 거의 없는 매우 높은 품질을 자랑한다. 유리 생산과 관련된 대부분의 비용은 원료를 유리로 녹이는 데 사용되는 에너지에서 발생한다. 음극선관 유리 생산용 유리 용해로는 여러 크기의 음극선관을 생산할 수 있도록 가동을 중단하지 않고 금형을 교체할 수 있는 여러 개의 출구를 갖추고 있다. 스크린에 사용되는 유리만이 정밀한 광학적 특성을 필요로 한다.

스크린에 사용되는 유리의 광학적 특성은 컬러 음극선관의 색 재현성과 순도에 영향을 미친다. 유리가 얼마나 투명한지를 나타내는 투과율은 특정 색상(파장)의 빛에 대해 더 투명하도록 조정될 수 있다. 투과율은 546nm 파장의 빛과 10.16mm 두께의 스크린을 기준으로 화면 중앙에서 측정된다. 두께가 두꺼워질수록 투과율은 떨어진다. 컬러 음극선관 스크린의 표준 투과율은 86%, 73%, 57%, 46%, 42%, 30%이다. 낮은 투과율은 이미지 대비를 개선하는 데 사용되지만, 전자총에 더 많은 부담을 주어 감소된 투과율을 보상하기 위해 형광체를 더 밝게 비추는 더 높은 전자빔 전력이 필요하다.[70][115] 색 순도를 보장하기 위해 투과율은 화면 전체에 걸쳐 균일해야 한다. 스크린의 곡률 반경은 시간이 지남에 따라 30인치에서 68인치로 증가(덜 휘어짐)했으며, 최종적으로는 완전히 평면인 스크린으로 진화하여 반사를 줄였다. 곡면[116] 및 평면 스크린 모두 중앙에서 바깥쪽으로 갈수록 두께가 점차 두꺼워지며 투과율은 점차 감소한다. 이는 평면 음극선관이라 할지라도 내부가 완전히 평면이 아닐 수 있음을 의미한다.[116][117]

음극선관에 사용되는 유리는 유리 공장에서 음극선관 공장으로 올 때 컬러 음극선관용으로는 별도의 스크린과 화염 융착된 넥이 달린 원추부 형태로, 혹은 단색 음극선관용으로는 화염 융착된 스크린, 원추부, 넥이 결합된 벌브 형태로 도착한다. 다양한 유형의 음극선관을 위한 여러 유리 배합이 있었으며, 이는 각 유리 제조사 고유의 코드로 분류되었다. 용융물의 조성 또한 제조사마다 달랐다.[118] 높은 색 순도와 대비에 최적화된 유리는 네오디뮴을 첨가했으며, 단색 음극선관용 유리는 사용된 배합에 따라 다른 수준으로 색조를 띠었고 42% 또는 30%의 투과율을 가졌다.[119] 순도는 올바른 색상이 활성화되는지(예: 화면 전체에 적색이 균일하게 표시되는지) 확인하는 것이며, 수렴(convergence)은 이미지가 왜곡되지 않도록 보장하는 것이다. 수렴은 격자 무늬 패턴을 사용하여 수정될 수 있다.[120][121][122]

음극선관 유리는 AGC주식회사,[123][124][125] O-I Glass, 삼성 코닝 정밀 소재,[126] 코닝 (기업),[127][128] 니폰 전기 유리를 포함한 전문 회사들이 주로 제작했다.[129] 비디오콘, 미국 시장용 소니, 톰슨 등은 자사 유리를 직접 만들기도 했다.[130][131][132][133][134]

원추부와 넥은 납 함유 포타슘-소다 유리 또는 납 실리케이트 유리 배합으로 만들어져,[6] 형광체 스크린이나 컬러 음극선관의 섀도우 마스크와 같은 타겟에 부딪힌 고전압 전자가 감속될 때 발생하는 엑스선을 차단한다. 전자의 속도는 음극선관의 양극 전압에 따라 달라지며, 전압이 높을수록 속도도 빨라진다.[135] 음극선관에서 방출되는 엑스선 양은 이미지의 밝기를 낮추어 줄일 수도 있다.[136][137][138][107] 납유리는 가격이 저렴하면서도 엑스선을 강력하게 차단하기 때문에 사용되지만, 일부 원추부에는 바륨이 포함될 수도 있다.[139][140][141][119] 스크린은 납 성분이 포함된 유리와 달리 갈색으로 변하지 않는 바륨과 스트론튬을 포함한 특수 무납 실리케이트 유리 배합으로 만들어져 엑스선을 차단한다.[142][143] 다른 유리 배합은 스크린에 2~3%의 납을 사용한다.[107] 대안으로 스크린에 납 대신 바륨과 함께 지르코늄을 사용할 수도 있다.[144]

뒷면에서 촬영된 1960년대 소비에트 TV 수상기

단색 음극선관은 스크린과 원추부 모두에 색조가 들어간 바륨-납 유리 배합을 사용할 수 있으며, 넥 부분에는 포타슘-소다 납 유리를 사용한다. 포타슘-소다와 바륨-납 배합은 열팽창 계수가 다르다. 넥에 사용되는 유리는 전자총의 전자 광학계에 사용되는 집속 렌즈 등의 전압을 견디기 위해 우수한 전기 절연체여야 한다. 유리에 포함된 납은 엑스선으로 인해 사용 시 갈색으로 변하게(어두워지게) 하는데, 보통 음극선관 캐소드가 갈색화가 뚜렷해지기 전에 캐소드 중독으로 인해 먼저 마모된다. 유리의 배합은 가능한 가장 높은 양극 전압을 결정하며, 결과적으로 최대 음극선관 화면 크기를 결정한다. 컬러의 경우 최대 전압은 종종 24~32kV인 반면, 단색은 보통 21kV 또는 24.5kV로 제한되어,[145] 단색 음극선관의 크기를 21인치, 즉 인치당 약 1kV 수준으로 제한한다. 필요한 전압은 음극선관의 크기와 유형에 따라 다르다.[146] 배합이 다르기 때문에 이들은 서로 호환되어야 하며 비슷한 열팽창 계수를 가져야 한다.[119] 스크린에는 반사를 방지하기 위해 눈부심 방지 또는 반사 방지 코팅이 적용되거나[147][115][148] 연마될 수도 있다.[149] 음극선관은 정전기 방지 코팅을 가질 수도 있다.[115][150][70]

음극선관 원추부에 사용되는 납유리는 21~25%의 산화 납(PbO)을 포함할 수 있다.[151][152][118] 넥 부분은 30~40%의 산화 납을 포함할 수 있으며, 스크린은 12%의 산화 바륨과 12%의 산화 스트론튬을 포함할 수 있다.[6] 전형적인 음극선관은 크기에 따라 유리 내부에 수 킬로그램의 산화 납 형태의 납을 포함한다. 12인치 음극선관은 총 0.5kg의 납을 포함하며, 32인치 음극선관은 최대 3kg까지 포함한다.[6] 산화 스트론튬은 주요 용도인 음극선관에 1970년대부터 사용되기 시작했다.[153][154] 그 이전에는 음극선관 전면 패널에 납을 사용했다.[155]

일부 초기 음극선관은 전도성 물질이 있는 유리 대신 폴리에틸렌으로 절연된 금속 원추부를 사용했다.[57] 다른 것들은 압착 유리 원추부 대신 세라믹이나 블로운 파이렉스(Pyrex)를 사용했다.[156][157][42][158][159] 초기 음극선관은 전용 양극 캡 연결부가 없었고 원추부 자체가 양극 연결부였으므로 작동 중에 전류가 흘렀다.[160]

원추부는 안팎으로 전도성 코팅이 되어 있어,[161][162] 원추부가 축전기 역할을 하게 하여 음극선관의 양극 전압을 안정화하고 필터링하는 데 도움을 주며 음극선관을 켜는 데 필요한 시간을 크게 단축시킨다. 코팅이 제공하는 이러한 안정성은 초기 전원 공급 장치 설계가 진공관을 사용했기 때문에 발생했던 고유한 문제들을 해결해주었다. 원추부가 축전기로 사용되므로 원추부에 사용되는 유리는 우수한 전기 절연체(유전체)여야 한다. 내부 코팅은 양전압(수 kV의 양극 전압)을 가지며 외부 코팅은 접지된다. 더 현대적인 전원 공급 장치로 구동되는 음극선관은 전원 공급 장치의 견고한 설계 덕분에 반드시 접지에 연결될 필요는 없다. 원추부에 의해 형성되는 축전기 용량은 5~10nF이다. 원추부에 의해 형성된 축전기는 다른 유형의 축전기와 마찬가지로 유전 흡수 현상을 겪을 수 있다.[163][145][164][165][161][119] 이 때문에 음극선관은 부상을 방지하기 위해 취급 전 방전시켜야 한다.[166]

음극선관의 깊이는 스크린 크기와 관련이 있다.[167] 일반적인 편향각은 컴퓨터 모니터용 음극선관 및 소형 음극선관의 경우 90°였고, 대형 TV용 음극선관에서는 110°가 표준이었으며, LCD TV와 경쟁하기 위해 2001~2005년 이후에 제작된 슬림 음극선관에는 120° 또는 125°가 사용되었다.[168][115][98][106][169] 시간이 흐르며 편향각은 기술적으로 가능해짐에 따라 1938년 50°에서 1959년 110°,[23] 2000년대에는 125°로 증가했다. 140° 편향 음극선관도 연구되었으나 수렴(적색, 녹색, 청색 전자총의 정렬) 문제가 해결되지 않아 상용화되지 못했다.[170]

크기 및 무게

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음극선관의 크기는 스크린 전체 넓이(또는 면대각선)로 측정하거나, 대안으로 형광체가 코팅되고 검은색 가장자리로 둘러싸인 가시 영역(또는 대각선)만으로 측정할 수 있다.[162][171]

가시 영역은 직사각형일 수 있으나, 음극선관의 가장자리는 곡률을 가질 수 있거나(예: 1972년 도시바가 처음 만든 블랙 스트라이프 음극선관)[134] 가장자리가 검고 진정으로 평면일 수도 있으며(예: 플래트론 음극선관),[116][134][172] 가시 영역이 음극선관 가장자리의 곡률을 따를 수도 있다.[173][174][175]

MTV-1 및 캠코더의 뷰파인더와 같은 핸드헬드 TV용으로 3인치 미만의 소형 음극선관이 제작되었다. 이들 중에는 검은색 가장자리가 없을 수 있으나 진정으로 평면인 것들도 있다.[176][164][177][178][179]

음극선관 무게의 대부분은 두꺼운 유리 스크린에서 나오며, 이는 음극선관 전체 무게의 65%를 차지하고 실용적인 크기를 제한한다(음극선관 크기 섹션 참조). 원추부와 넥 유리는 각각 나머지 30%와 5%를 차지한다. 원추부의 유리는 얇은 넥과 두꺼운 스크린을 연결하기 위해 두께가 다양할 수 있다.[180][181][6][5] 음극선관 유리의 무게를 줄이기 위해 화학적으로 또는 열적으로 강화 유리를 사용할 수도 있다.[182][183][184][185]

양극(Anode)

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외부 전도성 코팅은 접지에 연결되는 반면, 내부 전도성 코팅은 양극 버튼/캡을 통해 일련의 축전기와 다이오드(Cockcroft–Walton 발생기)를 거쳐 고전압 플라이백 변압기에 연결된다. 내부 코팅은 음극선관의 양극(anode)이며, 전자총의 전극과 함께 최종 양극이라고도 불린다.[186][187] 내부 코팅은 스프링을 사용하여 전극에 연결된다. 전극은 복전위(bipotential) 렌즈의 일부를 형성한다.[187][188] 축전기와 다이오드는 플라이백에서 전달된 전류에 대해 전압 증배기 역할을 하여 최종적으로 음극선관에 사용되는 높은 양극 전압을 공급한다.

내부 원추부 코팅의 경우, 단색 음극선관은 알루미늄을 사용하는 반면 컬러 음극선관은 아쿠아댁(aquadag)을 사용한다. 일부 음극선관은 내부에 산화철을 사용할 수도 있다.[6] 외부의 경우 대부분의 음극선관이 아쿠아댁을 사용한다.[189] 아쿠아댁은 전기 전도성 흑연 기반 페인트이다. 컬러 음극선관에서 아쿠아댁은 원추부 내부에 분사되는 반면,[190][119] 역사적으로 단색 음극선관의 내부에는 아쿠아댁이 칠해졌다.[23]

양극은 전자를 스크린 방향으로 가속시키는 데 사용되며, 음극선관의 진공 상태에서 형광체 입자가 타격받을 때 방출되는 이차 전자를 수집하는 역할도 한다.[191][192][193][194][23]

현대 음극선관의 양극 캡 연결부는 음극선관의 크기와 밝기에 따라 최대 55~60kV까지 견딜 수 있어야 한다. 전압이 높을수록 더 큰 화면, 더 높은 밝기를 구현하거나 둘 사이의 절충이 가능하다.[195][146] 이는 음극선관의 원추부 유리에 매립된 양극 버튼 내부에서 확장되는 금속 클립으로 구성된다.[196][197] 연결부는 코로나 방전을 방지하기 위해 실리콘 그리스를 사용할 수도 있는 실리콘 흡착컵으로 절연된다.[198][199]

양극 버튼은 버튼과 원추부 사이의 기밀 밀봉을 유지하기 위해 특별히 제작되어야 한다. 양극 버튼을 통해 엑스선이 샐 수 있으나, 1970년대 후반에서 1980년대 초반 이후의 새로운 버튼 및 클립 설계 덕분에 최신 음극선관에서는 그렇지 않을 수 있다.[146][200] 버튼은 3개의 중첩된 컵 세트로 구성될 수 있는데, 가장 바깥쪽 컵은 유리와 융착하기 쉽도록 니켈 40~49%, 크롬 3~6%를 함유한 니켈-크롬-철 합금으로 만들어지고, 첫 번째 내부 컵은 엑스선 차단을 위해 두꺼운 저가형 철로 만들어지며, 두 번째 최내곽 컵 또한 클립과의 연결을 위해 철이나 다른 전도성 금속으로 만들어진다. 컵은 원추부 유리와 융착될 때 견딜 수 있을 만큼 내열성이 있어야 하며 유리와 유사한 열팽창 계수를 가져야 한다. 버튼의 안쪽은 음극선관의 내부 전도성 코팅과 연결된다.[192] 양극 버튼은 원추부가 금형에서 성형되는 동안 부착될 수 있다.[201][202][146] 대안으로 엑스선 차단 기능을 클립에 내장할 수도 있다.[203]

플라이백 변압기는 전압 증배기를 포함하는 경우 IHVT(Integrated High Voltage Transformer)라고도 한다. 플라이백은 고주파에서의 효율적인 작동을 위해 세라믹이나 철가루 코어를 사용한다. 플라이백은 하나의 1차 권선과 여러 전압을 제공하는 많은 2차 권선을 포함한다. 메인 2차 권선은 전압 증배기에 전압 펄스를 공급하여 최종적으로 음극선관에 사용되는 높은 양극 전압을 공급하며, 나머지 권선은 음극선관의 필라멘트 전압, 키잉 펄스, 포커스 전압 및 스캔 래스터에서 파생된 전압을 공급한다. 변압기가 꺼지면 플라이백의 자기장이 빠르게 붕괴되면서 권선에 고전압이 유도된다. 자기장이 붕괴되는 속도가 유도되는 전압을 결정하므로 속도가 빠를수록 전압도 높아진다. 자기장의 붕괴 속도를 늦추기 위해 축전기(Retrace Timing Capacitor) 또는 중복성을 위한 일련의 축전기가 사용된다.[204][205]

음극선관을 사용하는 제품의 고전압 전원 공급 장치 설계는 음극선관에서 방출되는 엑스선 양에 영향을 미친다. 방출되는 엑스선 양은 전압과 전류가 높을수록 증가한다. TV 수상기와 같은 제품이 비조정 고전압 전원 공급 장치를 사용하는 경우(이미지가 밝을 때 전자 전류가 증가하면 양극 및 포커스 전압이 떨어지는 방식), 음극선관이 중간 정도의 밝기 이미지를 표시할 때 방출되는 엑스선 양이 가장 많다. 어두운 이미지나 매우 밝은 이미지를 표시할 때는 높은 양극 전압이 낮은 전자빔 전류와 상충되거나 그 반대이기 때문이다. 일부 오래된 음극선관 TV 세트의 고전압 조정기 및 정류기 진공관도 엑스선을 방출할 수 있다.[155]

전자총

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전자총은 최종적으로 음극선관 스크린의 형광체에 부딪히는 전자를 방출한다. 전자총은 히터를 포함하고 있으며, 히터는 캐소드를 가열하여 전자를 생성하고, 이 전자는 그리드를 통해 집속되어 최종적으로 음극선관 스크린으로 가속된다. 가속은 음극선관 내부의 알루미늄 또는 아쿠아댁 코팅과 연동되어 일어난다. 전자총은 스크린 중앙을 겨냥하도록 배치된다.[187] 전자총은 음극선관의 넥 내부에 위치하며 유리 비드나 유리 지지 로드(전자총 위의 유리 스트립)를 사용하여 넥에 장착 및 고정된다.[23][187][206] 전자총은 별도로 제작된 후 실링(sealing) 과정을 통해 넥 내부로 배치된다.[71][207][208][209][210][211] 전자총에는 음극선관의 넥과 융착되는 유리 웨이퍼가 있으며, 전자총으로 연결되는 리드선들이 이 웨이퍼를 관통한다.[208][212] 전자총이 넥 내부에 자리 잡으면, 금속 부품(그리드)들 사이에 고전압을 가해 거친 모서리를 매끄럽게 다듬는 스폿 노킹(spot knocking) 과정을 거친다. 이는 그리드의 거친 모서리에서 이차 전자가 발생하는 것을 방지하기 위함이다.[213][214][215]

구조 및 작동 방식

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전자총은 텅스텐 필라멘트 가열 소자에 의해 가열되는 간접 가열 방식 열음극을 가지고 있다. 히터는 음극선관에 따라 0.5~2A의 전류를 소모하며, 히터에 가해지는 전압은 음극선관의 수명에 영향을 줄 수 있다.[216][217] 캐소드를 가열하면 전자 내부의 에너지가 높아져 전자 방출을 돕고,[218] 동시에 캐소드에 전류가 공급된다. 일반적으로 1.5V에서 140mA에서 6.3V에서 600mA 사이의 전류가 공급된다.[219] 캐소드는 저에너지 전자를 방출하며, 이는 전자빔으로 가속 및 집속된다.[23] 컬러 음극선관은 적색, 녹색, 청색을 위해 세 개의 캐소드를 가진다. 히터는 캐소드 내부에 위치하지만 닿지는 않으며, 캐소드는 별도의 전기 연결부를 가진다. 캐소드는 니켈 조각 위에 코팅된 물질로, 니켈 조각은 전기적 연결과 구조적 지지를 제공하며 히터는 이 조각에 닿지 않은 채 내부에 위치한다.[220][221][222][223]

음극선관 전자총에서는 여러 종류의 합선이 발생할 수 있다. 하나는 히터와 캐소드 사이의 합선으로, 캐소드가 영구적으로 전자를 방출하게 하여 해당 캐소드에 따라 이미지에 강한 적색, 녹색 또는 청색 색조와 귀선이 나타날 수 있다. 대안으로 캐소드가 제어 그리드와 합선되어 비슷한 효과를 낼 수도 있고, 제어 그리드와 스크린 그리드(G2)가 합선되어 이미지가 매우 어둡거나 전혀 나타나지 않을 수도 있다. 캐소드는 스퍼터링을 방지하기 위해 실드로 둘러싸일 수 있다.[224][225]

캐소드는 전기적 및 기계적 지지를 위한 니켈 조각 위에 산화 바륨 층을 코팅한 것이다.[226][145] 산화 바륨은 전자를 방출할 수 있도록 가열하여 활성화해야 한다. 활성화가 필요한 이유는 산화 바륨이 공기 중에서 안정적이지 않아 전자를 방출할 수 없는 탄산 바륨 형태로 캐소드에 도포되기 때문이다. 활성화 과정은 탄산 바륨을 가열하여 산화 바륨과 이산화 탄소로 분해하면서 캐소드에 금속 바륨의 얇은 층을 형성한다.[227][226] 활성화는 진공 형성 시 수행된다(배기 섹션 참조). 활성화 후 산화물은 수증기, 이산화 탄소, 산소와 같은 일반적인 가스에 의해 손상될 수 있다.[228] 대안으로 탄산 바륨 대신 바륨 스트론튬 칼슘 탄산염을 사용하여 활성화 후 바륨, 스트론튬, 칼슘 산화물을 생성할 수도 있다.[229][23] 작동 중에 산화 바륨은 800~1000°C로 가열되어 전자를 방출하기 시작한다.[230][145][218]

열음극이기 때문에 캐소드 중독(cathode poisoning)에 취약하다. 이는 양이온 층이 형성되어 캐소드가 전자를 방출하는 것을 방해하여 이미지 밝기를 크게 또는 완전히 떨어뜨리고, 비디오 신호의 주파수에 따라 집속 및 강도가 영향을 받게 하여 세밀한 이미지가 표시되는 것을 방해한다. 양이온은 음극선관 내부의 잔류 공기 분자나 캐소드 자체에서 유래하며,[23] 시간이 흐르며 열음극 표면과 반응한다.[231][225] 망간, 지르코늄, 마그네슘, 알루미늄 또는 티타늄과 같은 환원 금속을 니켈 조각에 첨가하여 캐소드 수명을 연장할 수 있는데, 활성화 중에 환원 금속이 산화 바륨으로 확산되어 특히 높은 전자빔 전류에서 수명을 개선하기 때문이다.[232] 적색, 녹색, 청색 캐소드가 있는 컬러 음극선관에서는 하나 이상의 캐소드가 독립적으로 영향을 받을 수 있다.[225] 음극선관은 캐소드 중독으로 인해 마모되거나 타버릴 수 있으며, 이는 과도한 캐소드 전류(오버드라이빙)에 의해 가속된다.[233] 컬러 음극선관에서는 중독된 캐소드가 하나라도 있으면 하나 이상의 색상이 부분적 또는 완전히 상실되어 이미지에 색조가 나타날 수 있다.[225] 이 층은 캐소드와 직렬로 연결된 축전기처럼 작동하여 열적 지연을 유발할 수도 있다. 캐소드는 산화 스칸듐으로 만들어지거나 이를 도펀트로 포함하여 캐소드 중독을 늦추고 수명을 최대 15% 연장할 수 있다.[234][145][235]

캐소드에서의 전자 방출 속도는 표면적과 관련이 있다. 표면적이 넓은 캐소드는 더 많은 전자를 생성하여 더 큰 전자 구름을 만들며, 이는 전자 구름을 전자빔으로 집속하는 것을 더 어렵게 만든다.[233] 일반적으로 음극선관이 전체 이미지 밝기로 표시되는 부분을 가질 때만 캐소드 전체에서 전자가 방출되며, 그 외에는 캐소드의 일부만 전자를 방출한다. 밝기가 증가함에 따라 전자를 방출하는 캐소드 영역이 중심에서 바깥쪽으로 확장되므로 캐소드 마모는 불균일할 수 있다. 캐소드 중심만 마모된 경우, 음극선관은 전체 밝기 부분은 밝게 표시하지만 어두운 부분은 전혀 표시하지 못할 수 있으며, 이 경우 음극선관은 좋지 않은 감마 특성을 나타낸다.[225]

캐소드에 대해 음의 전압이 제1(제어) 그리드(G1)에 가해져 전자총의 나머지 부분으로 향하는 전자 방출을 제어한다. G1은 실제로는 베넬트 원통이다.[219][236] 스크린 이미지의 밝기는 양극 전압과 전자빔 전류 모두에 의존하며, 실제로는 후자가 상수인 반면 전자는 캐소드와 G1 제어 그리드 사이의 전압 차이를 변화시켜 제어한다. 총의 제2(스크린) 그리드(G2)는 수백 볼트의 DC를 사용하여 전자를 스크린 방향으로 가속시킨다. 그 후 제3 그리드(G3)는 전자빔이 편향되기 전 정전기적으로 집속시키고, 나중에 양극 전압에 의해 스크린 위로 가속된다. 전자빔의 정전기적 집속은 최대 600볼트가 가해지는 아인젤 렌즈를 사용하여 수행될 수 있다.[237][227] 정전 집속이 도입되기 전에는 전자빔 집속을 위해 전자총 외부에 크고 무겁고 복잡한 기계적 집속 시스템을 배치해야 했다.[160]

그러나 음극선관의 최종 양극 근처에서는 수십 kV의 높은 전압 때문에 정전 집속을 수행할 수 없으므로, 대신 고전압(≈600~8000V) 전극을 최종 양극 전압 전극과 함께 사용하여 집속할 수 있다. 이러한 배치를 복전위 렌즈라고 하며, 아인젤 렌즈보다 높은 성능을 제공한다. 또는 수십 kV의 높은 양극 전압과 함께 자기 집속 코일을 사용하여 집속을 수행할 수도 있다. 그러나 자기 집속은 구현 비용이 많이 들어 실제로는 거의 사용되지 않는다.[220][227][238][239] 포커스 전압은 플라이백 내부에서 저항 분압기와 함께 플라이백의 고전압 권선의 하위 세트를 사용하여 생성된다. 포커스 전극은 음극선관의 넥에 있는 다른 연결부들과 함께 연결된다.[240]

차단 전압(cutoff voltage)이라고 불리는 전압이 있는데, 이는 전자빔에 의해 스크린에 생성된 이미지를 사라지게 하여 검은색을 만드는 전압으로 G1에 가해진다. 세 개의 총이 있는 컬러 음극선관에서는 총마다 차단 전압이 다르다. 많은 음극선관이 모든 총에 걸쳐 그리드 G1과 G2를 공유하는데, 이는 차단 전압이 모든 총에 대해 하나가 되므로(G1이 모든 총에 공유되기 때문에) 이미지 밝기를 높이고 조정을 단순화한다.[187] 그러나 캐소드에 비디오를 공급하는 데 사용되는 비디오 증폭기에 더 많은 부하를 주게 되는데, 차단 전압이 더 높아지기 때문이다. 단색 음극선관은 이 문제를 겪지 않는다. 단색 음극선관에서는 제1 제어 그리드의 전압을 변화시켜 총에 비디오를 공급한다.[241][160]

전자빔의 귀선(retrace) 동안, 비디오 증폭기에 신호를 공급하는 전단 증폭기는 비활성화되고 비디오 증폭기는 차단 전압보다 높은 전압으로 바이어스되어 귀선이 나타나는 것을 방지한다. 또는 G1에 큰 음의 전압을 가하여 전자가 캐소드에서 나오지 못하게 할 수도 있다.[23] 이를 블랭킹(blanking)이라고 한다. (추가 정보: 수직 귀선 기간 및 수평 귀선 기간.) 잘못된 바이어스는 하나 이상의 색상에서 가시적인 귀선을 유발하여 색조가 있거나 흰색인 귀선을 만들 수 있다.[242][243][244] 대안으로 증폭기가 비디오 프로세서에 의해 구동될 수 있는데, 비디오 프로세서는 빠른 블랭킹 신호를 사용하여 비디오 스트림에 OSD(On Screen Display)를 삽입하기도 한다.[245] 음극선관을 통합한 TV 세트와 컴퓨터 모니터는 이미지의 서로 다른 부분의 원래 밝기를 복원하기 위해 DC 성분이 포함된 비디오 신호를 음극선관에 제공하는 DC 복원 회로가 필요하다.[246]

전자빔은 지구 자기장의 영향을 받을 수 있으며, 이로 인해 일반적으로 집속 렌즈에 중심에서 벗어나게 진입하는데, 이는 비점수차(astigmation) 제어 장치를 사용하여 교정할 수 있다. 비점수차 제어는 자기적 방식과 전자적(동적) 방식이 모두 있으며, 자기적 방식이 대부분의 작업을 수행하고 전자적 방식은 미세 조정에 사용된다.[247] 전자총의 끝부분 중 하나에는 유리 디스크가 있으며, 이 디스크의 모서리는 frit 등을 사용하여 음극선관 넥의 모서리와 융착된다. 전자총을 외부와 연결하는 금속 리드선들이 이 디스크를 통과한다.[248][249]

일부 전자총은 동적 포커스를 가진 4중극 렌즈를 갖추어 전자빔의 형태를 변경하고 포커스를 조절하는데, 특히 모서리에서 이미지 선명도를 유지하기 위해 전자빔의 위치에 따라 포커스 전압을 변화시킨다.[115][250][251][252][253] 또한 최종 양극 전압으로부터 그리드용 전압을 유도하기 위한 블리더 저항을 가질 수도 있다.[254][255][256]

음극선관은 제조 후 캐소드 방출이 안정화되도록 에이징(aging) 과정을 거친다.[257][258]

컬러 음극선관의 전자총은 비디오 증폭기에 의해 구동되는데, 이 증폭기는 컬러 채널당 신호를 받아 40~170V로 증폭하여 전자총의 캐소드에 공급한다.[244] 각 전자총은 고유한 채널(색상당 하나)을 가지며 모든 채널은 내부적으로 세 개의 독립된 채널을 가진 동일한 증폭기에 의해 구동될 수 있다.[259] 증폭기의 성능은 음극선관의 해상도, 화면 재생 빈도 및 명암비를 제한하는데, 증폭기가 높은 대역폭과 전압 변동을 동시에 제공해야 하기 때문이다. 예를 들어, 30MHz의 대역폭은 일반적으로 720p 또는 1080i 해상도를 제공할 수 있고, 20MHz는 약 600라인의 해상도를 제공한다.[260][244] 캐소드와 제어 그리드 사이의 전압 차이가 전자빔을 변조하여 전류를 조절하고, 이를 통해 이미지를 라인별로 생성하며 이미지 밝기에도 영향을 줄 수 있다.[225] 컬러 음극선관에 사용되는 형광체는 일정한 에너지에 대해 서로 다른 양의 빛을 생성하므로, 백색을 구현하려면 세 개의 총이 서로 다른 양의 에너지를 출력해야 한다. 적색 형광체가 가장 적은 양의 빛을 방출하기 때문에 적색 총이 가장 많은 에너지를 출력한다.[244]

감마

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음극선관은 뚜렷한 3극 진공관 특성을 가지며, 이는 상당한 감마 보정(전자총에 가해지는 비디오 전압과 빔 강도 사이의 비선형 관계)을 초래한다.[261]

편향(Deflection)

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편향에는 자기 편향과 정전 편향 두 가지 유형이 있다. 자기 편향은 높은 편향각(음극선관을 얇게 만들 수 있음)과 편향 전력(높은 전자빔 전류와 밝은 이미지를 가능하게 함)을 허용하므로 주로 TV와 모니터에 사용되며,[262] 최대 2kV의 편향을 위한 고전압의 필요성을 피할 수 있다.[169] 반면 오실로스코프는 캡처된 가공되지 않은 파형을 (증폭 후) 음극선관 내부의 수직 정전 편향판에 직접 가할 수 있기 때문에 종종 정전 편향을 사용한다.[263]

자기 편향

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자기 편향을 사용하는 장치는 두 쌍의 편향 코일이 있는 요크를 사용할 수 있다. 한 쌍은 수직 편향을 위한 것이고 다른 한 쌍은 수평 편향을 위한 것이다.[264] 요크는 접합되어 있거나 분리 가능할 수 있다. 접합된 것은 접착제나[265] 플라스틱을[266] 사용하여 음극선관의 넥과 원추부 사이 영역에 요크를 접합하며, 분리 가능한 요크는 클램프로 고정된다.[267][121] 요크는 열을 발생시키는데, 유리의 온도가 올라가면 전도성이 높아지기 때문에 이 열을 제거하는 것이 필수적이다. 음극선관이 축전기로서 기능하려면 유리가 절연 상태를 유지해야 하기 때문이다. 따라서 요크 아래 유리의 온도는 새로운 요크 설계 시 체크된다.[145] 요크는 자기력 손실을 줄이기 위해 페라이트 코어를 사용한 편향 및 수렴 코일을 포함하며,[268][264] 컬러 음극선관에서 전자빔을 정렬하거나 조정하는 데 사용되는 자화된 링(예: 색 순도 및 수렴 링)도 포함한다.[269][270][271] 요크는 커넥터를 사용하여 연결될 수 있으며, 요크의 편향 코일이 연결되는 순서에 따라 음극선관에 표시되는 이미지의 방향이 결정된다.[166] 편향 코일은 폴리우레탄 접착제를 사용하여 고정될 수 있다.[265]

편향 코일은 톱니파 신호에 의해 구동되며,[272][273][244] 이는 VGA를 통해 수평 및 수직 동기 신호로 전달될 수 있다.[274] 음극선관은 두 개의 편향 회로가 필요하다. 수평 및 수직 회로는 비슷하지만 수평 회로는 화면 재생 빈도와 그릴 수평 라인 수(수직 해상도)에 따라 15~240kHz의 훨씬 높은 주파수로 작동한다. 높은 주파수는 간섭에 더 취약하므로, 자동 주파수 제어(AFC) 회로를 사용하여 수평 편향 신호의 위상을 동기 신호에 고정함으로써 이미지가 대각선으로 왜곡되는 것을 방지할 수 있다. 수직 주파수는 음극선관의 화면 재생 빈도에 따라 달라진다. 따라서 60Hz 재생 빈도를 가진 음극선관은 60Hz로 작동하는 수직 편향 회로를 가진다. 수평 및 수직 편향 신호는 서로 다르게 작동하는 두 회로를 사용하여 생성될 수 있다. 수평 편향 신호는 전압 제어 발진기(VCO)를 사용하여 생성될 수 있고, 수직 신호는 트리거링 방식의 이완 발진기를 사용하여 생성될 수 있다. 많은 TV에서 편향 코일이 작동하는 주파수는 부분적으로 코일의 유도계수 값에 의해 결정된다.[275][244] 음극선관마다 편향각이 달랐다. 편향각이 높을수록 주어진 스크린 크기에 비해 음극선관이 얇아지지만,[276] 더 많은 편향 전력이 필요하고 광학 성능이 떨어지는 비용을 치러야 한다.[145][277]

높은 편향 전력은 전자빔을 더 높은 각도로 휘게 하기 위해 편향 코일에 더 많은 전류를 보낸다는 것을 의미하며,[115] 이는 결과적으로 더 많은 열을 발생시키거나 증가된 전력을 처리할 수 있는 전자 장치가 필요하게 된다.[277] 열은 저항 손실과 코어 손실로 인해 발생한다.[278] 편향 전력은 인치당 mA로 측정된다.[244] 수직 편향 코일은 작동을 위해 약 24V가 필요할 수 있고 수평 편향 코일은 약 120V가 필요하다.

편향 코일은 편향 증폭기에 의해 구동된다.[279] 수평 편향 코일은 부분적으로 TV 세트의 수평 출력단에 의해 구동될 수도 있다. 이 단계에는 편향 코일과 직렬로 연결되어 여러 기능을 수행하는 축전기가 포함되는데, 그 중에는 음극선관의 곡률에 맞춰 톱니파 편향 신호를 형성하고 코일에 DC 바이어스가 생기는 것을 방지하여 이미지 중심을 맞추는 기능 등이 있다. 귀선이 시작될 때 코일의 자기장이 붕괴되면서 전자빔이 화면 중앙으로 돌아오며, 동시에 코일은 축전기로 에너지를 되돌려주고 이 에너지는 전자빔을 화면 왼쪽으로 보내는 데 사용된다.[204]

수평 편향 코일이 작동하는 높은 주파수 때문에, 열 방출을 줄이기 위해 편향 코일의 에너지를 재활용해야 한다. 재활용은 편향 코일 자기장의 에너지를 일련의 축전기로 전달함으로써 이루어진다.[204] 수평 편향 코일의 전압은 전자빔이 화면 왼쪽에 있을 때 음수이고 화면 오른쪽에 있을 때 양수이다. 편향에 필요한 에너지는 전자의 에너지에 의존한다.[280] 높은 에너지(전압 및 전류)의 전자빔은 휘게 하는 데 더 많은 에너지가 필요하며, 더 높은 이미지 밝기를 얻기 위해 사용된다.[281][282][195]

정전 편향

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주로 오실로스코프에서 사용된다. 편향은 수평 및 수직 편향을 위한 두 쌍의 플레이트에 전압을 가함으로써 수행된다. 전자빔은 한 쌍의 플레이트 사이의 전압 차이를 변화시켜 유도된다. 예를 들어, 수직 편향 쌍의 위쪽 플레이트에 전압을 가하고 아래쪽 플레이트의 전압을 0V로 유지하면 전자빔이 화면 위쪽으로 휘어지게 되며, 위쪽 플레이트의 전압을 더 높이면 전자빔이 화면의 더 높은 지점으로 휘어진다(편향각이 커진다). 수평 편향판도 동일하게 적용된다. 한 쌍의 플레이트 길이를 늘리고 사이 거리를 좁히면 편향각을 높일 수 있다.[283]

번인

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번인(Burn-in)은 이미지가 음극선관 스크린에 물리적으로 "타서 남는" 현상이다. 이는 형광체가 전자빔의 장기간 충격에 노출되어 열화되면서 발생하며, 고정된 이미지나 로고가 스크린에 너무 오래 남겨졌을 때 발생하여 "유령" 이미지처럼 나타나고, 심한 경우에는 음극선관이 꺼져 있을 때도 보인다. 이를 방지하기 위해 컴퓨터에서는 번인을 최소화하기 위해 화면 보호기를 사용했다.[284] 번인은 음극선관에만 국한된 현상이 아니며, 플라스마 디스플레이와 OLED 디스플레이에서도 발생한다.

배기(Evacuation)

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음극선관의 0.01 파스칼 (1×10−7 atm)에서 0.1 마이크로파스칼 (1×10−12 atm) 이하의 부분 진공은 베이킹(bake-out)이라고 불리는 공정에서 약 375~475°C의 오븐에서 배기되거나 배출된다.[285] 배기 공정은 음극선관 내부의 모든 물질에서 가스를 제거하고, 형광체 도포에 사용된 폴리비닐 알코올과 같은 물질을 분해한다.[286] 가열 및 냉각은 유리에 응력을 주어 굳거나 갈라지는 것을 방지하기 위해 점진적으로 수행된다. 오븐은 음극선관 내부의 가스를 가열하여 가스 분자의 속도를 높임으로써 진공 펌프에 의해 가스가 빨려 나갈 확률을 높인다. 음극선관의 온도는 오븐보다 낮게 유지되며, 음극선관이 400°C에 도달한 직후 또는 음극선관을 400°C 이상의 온도에서 15~55분 동안 유지한 후 오븐 냉각이 시작된다. 가열은 배기 도중 또는 후에 수행되었으며, 열은 동시에 음극선관의 프리트(frit)를 녹여 스크린과 원추부를 결합하는 데 사용되었을 수 있다.[287][288][289] 사용된 펌프는 터보 분자 펌프 또는 확산 펌프이다.[290][291][292][293] 이전에는 수은 진공 펌프도 사용되었다.[294][295] 베이킹 후 음극선관은 진공 펌프에서 분리(봉지 또는 팁-오프)된다.[296][297][298] 그 후 RF(유도) 코일을 사용하여 게터를 가열(파이어링)한다. 게터는 보통 음극선관의 원추부나 넥에 위치한다.[299][300] 종종 바륨 기반인 게터 물질은 RF 코일에 의해 유도된 가열로 인해 증발하면서(물질 내부의 발열 반응과 결합될 수 있음) 남아있는 가스 입자를 포착한다. 증기는 음극선관을 채우고 마주치는 가스 분자들을 가두어 음극선관 내부에 가스 분자들이 갇힌 층을 형성하며 응축된다. 바륨 증기의 분포를 돕기 위해 물질 내에 수소가 존재할 수 있다. 물질은 1000°C 이상의 온도로 가열되어 증발한다.[301][302][228] 음극선관의 진공이 부분적으로 상실되면 이미지가 흐릿해지거나, 음극선관의 넥에서 푸른 빛이 나거나, 플래시오버(flashover), 캐소드 방출 상실 또는 집속 문제가 발생할 수 있다.[160]

재제조(Rebuilding)

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음극선관은 과거에 재제조, 즉 수리되거나 재생되곤 했다. 재제조 과정에는 음극선관의 분해, 전자총의 분해 및 수리 또는 교체, 형광체와 아쿠아댁의 제거 및 재도포 등이 포함되었다. 재제조는 음극선관이 비싸고 빨리 마모되던 1960년대까지 수리할 가치가 있어 인기가 있었다.[299] 미국의 마지막 음극선관 재제조 업체는 2010년에 문을 닫았고,[303] 프랑스에 있던 유럽의 마지막 업체 RACS는 2013년에 폐업했다.[304]

재활성화(Reactivation)

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재생(rejuvenation)이라고도 알려진 이 과정의 목적은 마모된 음극선관의 밝기를 일시적으로 복원하는 것이다. 이는 흔히 캐소드 히터의 전압과 전자총 제어 그리드의 전류 및 전압을 수동으로 조심스럽게 높여줌으로써 수행된다.[305] 일부 재생기는 용량성 방전 신호를 보내 히터와 캐소드 사이의 합선을 수리할 수도 있다.[225]

형광체

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음극선관의 형광체는 내부 진공 상태 때문에 이차 전자를 방출한다. 이차 전자는 음극선관의 양극에 의해 수집된다.[194] 형광체에서 생성된 이차 전자는 스크린에 전하가 축적되는 것을 방지하기 위해 수집되어야 하는데, 그렇지 않으면 전하가 전자빔을 밀어내어 이미지 밝기가 감소할 수 있기 때문이다.[23]

음극선관에 사용되는 형광체는 이전의 어두운 형광체를 대체하여 종종 희토류 금속을 포함한다.[306][307][284] 초기 적색 및 녹색 형광체는 카드뮴을 포함했고,[308] 일부 흑백 음극선관 형광체는 아연 베릴륨 실리케이트 형태의 베릴륨을 포함하기도 했으나,[52] 은, 구리 또는 망간을 도펀트로 사용하고 카드뮴, 아연 및 마그네슘을 포함하는 백색 형광체도 사용되었다.[23] 음극선관에 사용되는 희토류 형광체는 이전 형광체보다 더 효율적이다(더 많은 빛을 생성한다).[309] 형광체는 반데르발스 힘과 정전기력 때문에 스크린에 부착된다. 더 작은 입자로 구성된 형광체가 스크린에 더 강하게 부착된다. 형광체는 빛 번짐을 방지하기 위해 사용되는 탄소(컬러 음극선관의 경우)와 함께 긁어내면 쉽게 제거될 수 있다.[139][310]

음극선관용으로 수십 종류의 형광체가 사용 가능했다.[311] 형광체는 색상, 잔광, 휘도 상승 및 하강 곡선, 양극 전압에 따른 색상(침투형 음극선관용), 용도, 화학적 조성, 안전성, 번인에 대한 민감도 및 이차 방출 특성에 따라 분류되었다.[312] 희토류 형광체의 예로는 적색용 이트륨 산화물,[313] 빔 인덱스 관의 청색용 이트륨 실리사이드 등이 있다.

SMPTE-C 형광체는 동명의 색 공간을 정의하는 SMPTE-C 표준에 의해 정의된 특성을 가진다. 이 표준은 정확한 색 재현을 우선시하는데, 이는 NTSC 및 PAL 컬러 시스템에서 사용되는 서로 다른 형광체와 색 공간 때문에 어려움이 있었다. PAL TV 수상기는 채도가 높은 녹색 형광체를 사용하기 때문에 주관적으로 더 나은 색 재현력을 가졌는데, PAL은 프레임 레이트가 낮아 형광체가 감쇄될 시간이 더 많기 때문에 녹색 형광체의 비교적 긴 감쇄 시간을 견딜 수 있었다. SMPTE-C 형광체는 전문 비디오 모니터에 사용되었다.[314][315]

단색 및 컬러 음극선관의 형광체 코팅 뒷면에는 빛을 앞으로 반사하고, 음이온에 의한 이온 번으로부터 형광체를 보호하고, 형광체에 충돌하는 전자에 의해 발생하는 열을 관리하고, 전자를 밀어낼 수 있는 정전기 축적을 방지하고, 양극의 일부를 형성하며 형광체 타격 후 생성된 이차 전자를 수집하여 전자의 귀환 경로를 제공하기 위해 알루미늄 코팅이 되어 있을 수 있다.[316][145][317][318][23] 전자빔은 스크린의 형광체에 부딪히기 전 알루미늄 코팅을 통과하며, 알루미늄은 전자빔 전압을 약 1kV 정도 감쇄시킨다.[319][23][312] 형광체에 의해 형성된 표면의 거칠기를 줄여 알루미늄 코팅이 균일한 표면을 갖게 하고 유리 스크린에 닿는 것을 방지하기 위해 형광체 위에 필름이나 래커를 도포할 수 있다.[320][321] 이를 필르밍(filming)이라고 한다.[175] 래커는 나중에 증발하는 용매를 포함하며, 용매가 빠져나갈 수 있도록 구멍이 있는 알루미늄 코팅이 생성되도록 래커를 화학적으로 거칠게 만들 수 있다.[321]

형광체 잔광

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측정 또는 디스플레이 애플리케이션의 필요에 따라 다양한 형광체를 사용할 수 있다. 조명의 밝기, 색상 및 잔광은 음극선관 스크린에 사용되는 형광체의 유형에 따라 달라진다. 형광체는 1마이크로초 미만에서 수 초에 이르는 잔광을 갖는 것들이 있다.[322] 짧은 일시적 현상을 시각적으로 관찰하기 위해서는 긴 잔광 형광체가 바람직할 수 있다. 빠르고 반복적이거나 고주파인 현상의 경우 짧은 잔광 형광체가 일반적으로 선호된다.[323] 높은 화면 재생 빈도에서 잔상이나 고스팅 현상을 피하기 위해 형광체 잔광은 충분히 짧아야 한다.[115]

제한 사항 및 해결책

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블루밍(Blooming)

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양극 전압의 변동은 이미지의 일부 또는 전체의 밝기 변화를 초래할 수 있으며, 이외에도 블루밍(이미지가 번짐), 수축 또는 이미지의 확대/축소를 유발할 수 있다. 낮은 전압은 블루밍과 이미지 확대를 초래하고, 높은 전압은 그 반대의 현상을 일으킨다.[324][325] 이미지의 밝은 부분이 팽창하여 주변의 어두운 부분을 밀어내거나 왜곡시키는 현상인 블루밍은 어느 정도 피할 수 없다. 블루밍은 밝은 영역이 전자총으로부터 더 높은 전자빔 전류를 받기 때문에 발생하며, 이로 인해 빔이 넓어지고 집속이 어려워진다. 열악한 전압 조정은 전자빔 전류가 증가함에 따라 포커스 및 양극 전압이 떨어지게 만든다.[155]

도밍(Doming)

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도밍은 일부 음극선관 TV에서 발견되는 현상으로, 섀도우 마스크의 일부가 가열되는 현상이다. 이 현상은 대개 어두운 장면 속에 하나 이상의 국부적인 밝은 지점이 있는 고대비 장면에서 발생한다. 전자빔이 해당 구역의 섀도우 마스크를 타격하면서 불균일하게 가열한다. 섀도우 마스크는 온도 차이로 인해 뒤틀리게 되며, 이로 인해 전자총이 엉뚱한 색상의 형광체를 타격하여 해당 영역의 색상이 잘못 표시되게 된다.[326] 열팽창으로 인해 섀도우 마스크는 약 100마이크론 정도 확장될 수 있다.[327][328][329][330]

정상적인 작동 중에 섀도우 마스크는 약 80~90°C까지 가열된다.[331] 이미지의 밝은 부분은 어두운 부분보다 섀도우 마스크를 더 많이 가열하여, 증가된 전자빔 전류에 의한 가열로 인해 불균일한 가열과 열팽창에 따른 뒤틀림(블루밍)을 초래한다.[332][333] 섀도우 마스크는 보통 강철로 만들어지지만, 일반적인 마스크보다 눈에 띄는 뒤틀림 없이 2~3배 더 많은 전류를 견딜 수 있는 인바(저열팽창 니켈-철 합금)로 만들 수도 있으며,[120] 이는 고해상도 음극선관을 더 쉽게 구현할 수 있게 해준다.[334] 블루밍을 제한하기 위해 열을 방산하는 코팅이 섀도우 마스크에 적용될 수도 있는데,[335][336] 이 과정을 흑화(blackening)라고 한다.[337][338]

전자빔이 섀도우 마스크를 가열함에 따라 발생하는 열팽창과 그에 따른 뒤틀림을 보상하기 위해 TV용 음극선관에는 바이메탈 스프링이 사용되기도 한다.[68] 섀도우 마스크는 원추부나 스크린 유리에 각각 융착된 금속 조각[339] 또는 레일이나 프레임[340][341][342]을 사용하여 스크린에 설치되어 섀도우 마스크에 장력을 주어 뒤틀림을 최소화하고(평면 음극선관 컴퓨터 모니터에 사용되는 마스크가 평면인 경우) 더 높은 이미지 밝기와 대비를 가능하게 한다.[251]

아퍼처 그릴 스크린은 더 많은 전자를 통과시키기 때문에 더 밝으며 뒤틀림에도 더 강하다.[115] 컬러 음극선관은 섀도우 마스크가 전자빔의 대부분을 차단하기 때문에 단색 음극선관과 동일한 밝기를 얻기 위해 더 높은 양극 전압이 필요하다. 슬롯 마스크[53]와 특히 아퍼처 그릴은 많은 전자를 차단하지 않아 주어진 양극 전압에 대해 더 밝은 이미지를 제공하지만, 아퍼처 그릴 음극선관은 더 무겁다.[120] 섀도우 마스크는 전자빔의 80~85%를 차단하는 반면[332][331] 아퍼처 그릴은 더 많은 전자를 통과시킨다.[343]

고전압

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이미지 밝기는 양극 전압 및 음극선관의 크기와 관련이 있으므로, 더 큰 스크린과[344] 더 높은 이미지 밝기를 위해서는 더 높은 전압이 필요하다. 이미지 밝기는 전자빔의 전류에 의해서도 제어된다.[233] 더 높은 양극 전압과 전자빔 전류는 전자가 더 높은 속도와 에너지를 갖게 되므로 더 많은 양의 엑스선과 열 발생을 의미한다.[155] 대부분의 엑스선 방출을 차단하기 위해 납유리와 특수 바륨-스트론튬 유리가 사용된다.

크기

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Top view of Sony PVM-4300 with calico cat for scale
크기 비교를 위해 삼색 고양이와 함께 찍은 소니 PVM-4300의 상단 뷰

음극선관 크기의 실용적인 제한은 진공 상태를 안전하게 유지하기 위해 필요한 두꺼운 유리의 무게이다.[345] 음극선관의 외부가 전체 대기압에 노출되기 때문인데, 예를 들어 27인치(400in2) 스크린에 가해지는 압력은 총 5,800 pounds-force (26,000 N)에 달한다.[346] 예를 들어 대형 43인치 소니 PVM-4300은 무게가 440 lb or 200 kg에 달해, 32인치 음극선관(최대 163 lb or 74 kg)이나 19인치 음극선관(최대 60 lb or 27 kg)보다 훨씬 무겁다. 훨씬 가벼운 평판 TV는 32인치의 경우 약 18 lb (8.2 kg), 19인치의 경우 6.5 lb (2.9 kg)에 불과하다.[347]

크기는 또한 양극 전압에 의해 제한되는데, 이미지 밝기를 희생하지 않으면서 코로나 방전과 그로 인한 전기적 손실 및 오존 발생을 방지하기 위해 더 높은 절연 파괴 강도가 필요하기 때문이다.

섀도우 마스크 또한 해상도와 크기가 커짐에 따라 제작이 더 어려워진다.[334]

편향에 의한 제한

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높은 편향각, 해상도 및 화면 재생 빈도(높은 해상도와 재생 빈도는 수평 편향 코일에 훨씬 높은 주파수를 가해야 하기 때문)에서, 편향 요크는 전자빔을 더 높은 각도로 이동시켜야 하는 필요성 때문에 막대한 양의 열을 생성하기 시작하며, 이는 기하급수적으로 더 큰 전력을 필요로 한다. 예를 들어 편향각을 90°에서 120°로 높이려면 요크의 전력 소모량이 40와트에서 80와트로 늘어나야 하며, 120°에서 150°로 더 높이려면 편향 전력이 다시 80와트에서 160와트로 늘어나야 한다. 이는 일반적으로 일정 수준 이상의 편향각, 해상도 및 재생 빈도를 가진 음극선관을 비실용적으로 만드는데, 표표효과, 표면 및 와전류 손실로 인해 코일이 너무 많은 열을 생성하거나 코일 아래의 유리가 (온도가 올라감에 따라 유리의 전기 전도성이 증가하므로) 전도성을 갖게 될 가능성이 있기 때문이다. 일부 편향 요크는 작동 중에 발생하는 열을 방산하도록 설계된다.[119][348][278][349][350][351] 컬러 음극선관에서 높은 편향각은 화면 모서리의 수렴에 직접적인 영향을 주어 전자빔의 전력과 형태를 처리하기 위한 추가적인 보정 회로를 필요로 하며, 이는 비용과 전력 소모의 증가로 이어진다.[352][353] 높은 편향각은 주어진 크기의 음극선관을 더 얇게 만들 수 있게 하지만, 또한 음극선관 외함, 특히 패널과 패널-원추부 사이의 실링 및 원추부에 더 많은 응력을 가한다. 원추부는 응력을 최소화하기 위해 충분히 길어야 하며, 더 긴 원추부가 응력을 낮추도록 더 잘 성형될 수 있기 때문이다.[106][354]

다른 기술과의 비교

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주요 비교 점은 다음과 같다.

  • LCD의 음극선관 대비 장점: 적은 부피, 전력 소모 및 열 발생, 높은 화면 재생 빈도(최대 360Hz)[355]
  • 음극선관의 LCD 대비 장점: 우수한 색 재현력, 잔상(motion blur) 없음, 많은 모니터에서 지원되는 멀티싱크 기능, 입력 지연(input lag) 없음[103]
  • OLED의 음극선관 대비 장점: 적은 부피, 유사한 색 재현력,[103] 더 높은 명암비, 컴퓨터 모니터를 제외하면 유사한 화면 재생 빈도(60Hz 초과, 최대 120Hz)[356][357][358][359]

음극선관에서 화면 재생 빈도는 해상도에 따라 달라지며, 둘 다 궁극적으로 음극선관의 최대 수평 스캐닝 주파수에 의해 제한된다. 잔상은 형광체의 감쇄 시간에도 의존한다. 특정 재생 빈도에 비해 너무 느리게 감쇄되는 형광체는 이미지에 번짐이나 잔상 현상을 일으킬 수 있다. 실제적으로 음극선관은 160Hz의 재생 빈도로 제한된다.[360] OLED와 경쟁할 수 있는 LCD(듀얼 레이어 및 미니 LED LCD)는 높은 재생 빈도를 지원하지 않으나, 퀀텀닷 디스플레이(Q-LED)는 높은 재생 빈도(최대 144Hz)를 지원하며 OLED와 색 재현력에서 경쟁할 수 있다.[361][362]

음극선관 모니터는 여전히 입력 지연 면에서 LCD 및 OLED 모니터보다 성능이 뛰어날 수 있는데, 음극선관 모니터가 흔히 사용하는 VGA는 음극선관에 직접 공급할 수 있는 아날로그 신호를 제공하므로 음극선관과 모니터의 디스플레이 커넥터 사이에 신호 처리 과정이 없기 때문이다. 음극선관과 함께 사용하도록 설계된 비디오 카드는 음극선관에 필요한 아날로그 신호를 생성하기 위해 RAMDAC을 가질 수 있다.[363][11] 또한 음극선관 모니터는 여러 해상도에서 선명한 이미지를 표시할 수 있는 기능인 멀티싱크가 가능한 경우가 많다.[364] 이러한 이유로 음극선관은 부피, 무게 및 열 발생에도 불구하고 2000년대 초반 및 그 이전에 제작된 비디오 게임을 플레이하는 데 종종 선호되며, 일부 기술 제품은 현대 디스플레이의 기능을 염두에 두고 제작되지 않았기 때문에 작동을 위해 음극선관이 필요하기도 하다.[365][103]

음극선관은 평판 디스플레이 제품들보다 내구성이 더 뛰어난 경향이 있으나,[11] 유사한 내구성을 가진 특수 LCD도 존재한다.

유형

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음극선관은 크게 픽처 튜브(picture tubes)와 디스플레이 튜브(display tubes) 두 가지 범주로 생산되었다.[75] 픽처 튜브는 TV에 사용되었고 디스플레이 튜브는 컴퓨터 모니터에 사용되었다. 디스플레이 튜브는 해상도가 더 높았고, 컴퓨터 모니터에 사용될 때 때로는 조정 가능한 오버스캔 기능을 가졌거나,[366][367] 때로는 언더스캔 기능을 가졌다.[368][369] 픽처 튜브 음극선관은 오버스캔이 적용되어 실제 이미지의 가장자리가 표시되지 않는데, 이는 각 음극선관 TV 사이의 조정 차이를 허용하고 블루밍으로 인한 이미지의 지저분한 가장자리가 화면에 표시되는 것을 방지하기 위해 의도된 것이다. 섀도우 마스크에는 오버스캔으로 인해 스크린을 타격하지 않는 전자를 반사하는 홈이 있을 수 있다.[370][115] TV에 사용되는 컬러 픽처 튜브는 CPT라고도 불렸다.[371] 음극선관은 브라운관이라고도 불린다.[372][373]

단색 음극선관

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알루미늄 증착 스크린이 적용된 단색 음극선관. 검은색 무광 코팅은 아쿠아댁이다.
단색 음극선관 넥 부분의 편향 요크. 두 쌍의 편향 코일이 있다.

음극선관이 흑백(단색)인 경우 넥 부분에 단일 전자총이 있으며, 원추부 내부는 증착 방식으로 도포된 알루미늄으로 코팅되어 있다. 알루미늄은 진공 상태에서 증발시켜 음극선관 내부에서 응축되도록 한다. 이는 흔히 음극선관을 특수 기계에 넣고 진공을 뽑은 후 알루미늄 조각을 감싸고 있는 히터를 사용해 알루미늄을 증발시킨 다음 진공을 해제하는 방식으로 수행되었다.[175] 알루미늄은 형광체에 이온 번이 생기는 것을 방지하는 데 필요한 이온 트랩의 필요성을 없애주며, 동시에 형광체에서 생성된 빛을 스크린 방향으로 반사하고 열을 관리하며 전자를 흡수하여 전자의 귀환 경로를 제공한다. 이전에는 원추부 내부가 페인트처럼 칠할 수 있는 아쿠아댁으로 코팅되었고 형광체는 코팅되지 않은 채로 남겨졌다.[23] 알루미늄 코팅은 1950년대부터 음극선관에 적용되기 시작하여 형광체를 포함한 음극선관 내부를 코팅했으며, 이는 알루미늄이 음극선관 내부에서 소실될 수 있는 빛을 외부로 반사해주었기 때문에 이미지 밝기를 증가시켰다.[23][374][375][376] 알루미늄이 증착된 단색 음극선관에서 아쿠아댁은 외부에 사용된다. 원추부와 스크린을 덮는 단일 알루미늄 코팅이 존재한다.[175]

스크린, 원추부, 넥은 납 에나멜 실링 등을 사용하여 단일 외함으로 융착되고, 원추부에 구멍을 뚫어 양극 캡을 설치한 후 형광체, 아쿠아댁 및 알루미늄을 나중에 도포한다.[71] 이전의 단색 음극선관은 자석이 필요한 이온 트랩을 사용했다. 자석은 편향시키기 더 어려운 이온으로부터 전자를 멀리 편향시켜 전자는 통과시키고 이온은 전자총 내부의 금속판에 충돌하게 하는 데 사용되었다.[377][160][318] 이온 번은 형광체의 조기 마모를 초래한다. 이온은 전자보다 편향시키기 어렵기 때문에 이온 번은 화면 중앙에 검은 점을 남긴다.[160][318]

내부 아쿠아댁 또는 알루미늄 코팅은 양극이었으며 전자를 스크린 방향으로 가속시키고 스크린 타격 후 이들을 수집하는 역할을 수행하면서 외부 아쿠아댁 코팅과 함께 축전기 역할을 했다. 스크린은 단일한 균일 형광체 코팅을 가지며 섀도우 마스크가 없어 기술적으로 해상도 제한이 없다.[378][167][379]

단색 음극선관은 전자빔의 중심 조정을 위해 링 자석을 사용할 수 있고, 이미지의 기하학적 형태를 조정하기 위해 편향 요크 주변에 자석을 사용할 수 있다.[271][380]

단색 음극선관이 꺼지면 전자총에 의해 쏘아진 형광체가 꺼지면서 스크린 자체가 중앙의 작은 흰색 점으로 수축된다. 이 점이 사라지는 데는 때때로 시간이 걸린다.[381]

컬러 음극선관

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델타 건 섀도우 마스크 컬러 음극선관의 확대 모습
왼쪽: 인라인 형광체 스트라이프(슬롯 마스크) 음극선관 확대 모습. 오른쪽: 델타 건 형광체 트라이어드 확대 모습.
트리니트론(아퍼처 그릴) 컬러 음극선관의 확대 모습. 얇은 가로 지지선이 보인다.
음극선관 트라이어드 및 마스크 유형
일반적인 음극선관의 청색, 녹색, 적색 형광체 스펙트럼
컬러 음극선관 TV의 인라인 전자총

컬러 음극선관은 각각 적색, 녹색, 청색 빛을 내는 세 가지 다른 형광체를 사용한다. 이들은 스트라이프 형태(아퍼처 그릴 설계와 같음)로 배치되거나 트라이어드라고 불리는 클러스터 형태로 밀집되어 있다(섀도우 마스크 음극선관의 경우).[382][383]

컬러 음극선관은 각 기본 색상(적색, 녹색, 청색)마다 하나씩, 일직선(in-line)이나 정삼각형 구성으로 배치된 세 개의 전자총을 가진다(총들은 보통 하나의 유닛으로 제작된다).[187][264][384][385][386] 삼각형 구성은 그리스 문자 델타(Δ)의 모양과 관련이 있어 흔히 델타 건이라고 불린다. 형광체의 배열은 전자총의 배열과 동일하다.[187][387] 그릴이나 마스크는 엉뚱한 형광체를 타격할 수 있는 전자를 흡수한다.[388]

섀도우 마스크 관은 작은 구멍들이 뚫린 금속판(전형적으로 델타 구성)을 사용하여, 전자빔이 관 전면의 정확한 형광체만을 비추게 하고[382] 다른 모든 전자를 차단한다.[107] 구멍 대신 슬롯을 사용하는 섀도우 마스크는 슬롯 마스크로 알려져 있다.[11] 구멍이나 슬롯은 테이퍼 형태로 되어 있어,[389][390] 구멍 내부를 타격하는 전자가 구멍을 튀어 나가 스크린의 엉뚱한 지점을 타격하는 대신, (국부적인 전하 축적 등으로 인해) 흡수되지 않는다면 다시 반사되도록 한다. 또 다른 유형의 컬러 음극선관(트리니트론)은 동일한 결과를 얻기 위해 장력이 가해진 수직 와이어로 구성된 아퍼처 그릴을 사용한다.[388] 섀도우 마스크는 각 트라이어드마다 하나의 구멍을 가진다.[187] 섀도우 마스크는 일반적으로 스크린에서 1⁄2인치 뒤에 있다.[120]

트리니트론 음극선관은 세 개의 캐소드가 있는 단일 전자총을 사용하며, 더 많은 전자를 통과시켜 이미지 밝기를 높여주는 아퍼처 그릴(아퍼처 그릴은 많은 전자를 차단하지 않기 때문), 그리고 곡면 스크린이 아닌 수직 원통형 스크린을 가졌다는 점에서 다른 컬러 음극선관과 차별화되었다.[391]

세 개의 전자총은 넥 부분에 있으며(트리니트론 제외), 스크린 위의 적색, 녹색, 청색 형광체는 검은색 격자 또는 매트릭스(도시바가 블랙 스트라이프라고 명명함)에 의해 분리될 수 있다.[70]

원추부는 양면에 아쿠아댁으로 코팅되어 있으며 스크린은 형광체 코팅 도포 후 전자총을 마주 보는 방향으로 진공 상태에서 증착된 별도의 알루미늄 코팅을 가진다.[187][119][392] 알루미늄 코팅은 형광체를 이온으로부터 보호하고, 이차 전자를 흡수하여 귀환 경로를 제공하며, 전자가 스크린을 정전기적으로 대전시켜 전자를 밀어내고 이미지 밝기를 떨어뜨리는 것을 방지하고, 형광체에서 나오는 빛을 앞으로 반사하고 열 관리를 돕는다. 또한 내부 아쿠아댁 코팅과 함께 음극선관의 양극 역할을 한다. 내부 코팅은 스프링을 사용하여 전자총의 전극에 전기적으로 연결되어 최종 양극을 형성한다.[188][187] 외부 아쿠아댁 코팅은 아쿠아댁과 접촉하는 일련의 스프링이나 하네스 등을 사용하여 접지에 연결된다.[393][394]

섀도우 마스크

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섀도우 마스크는 엉뚱한 형광체 점을 타격하여 색 순도 문제(이미지 변색)를 일으킬 수 있는 전자를 흡수하거나 반사한다. 즉, 올바르게 설정되었을 때 섀도우 마스크는 색 순도를 보장하는 데 도움을 준다.[187] 전자가 섀도우 마스크를 타격할 때 에너지는 열과 엑스선으로 방출된다. 예를 들어 양극 전압이 너무 높아 전자가 과도한 에너지를 가질 경우, 섀도우 마스크는 열로 인해 뒤틀릴 수 있으며, 이는 음극선관의 패널과 원추부 사이의 프리트 실링을 약 435°C에서 베이킹하는 과정 중에도 발생할 수 있다.[395][396]

섀도우 마스크는 1970년대에 TV에서 슬롯 마스크로 대체되었는데, 슬롯 마스크가 더 많은 전자를 통과시켜 이미지 밝기를 높여주기 때문이었다. 섀도우 마스크는 음극선관의 양극에 전기적으로 연결될 수 있다.[397][53][398][399] 트리니트론은 세 개의 완전한 총 대신 세 개의 캐소드가 있는 단일 전자총을 사용했다. 음극선관 PC 모니터는 소니의 트리니트론, 미쓰비시의 다이아몬드트론, NEC의 크로마클리어를 제외하고는 대개 섀도우 마스크를 사용한다. 트리니트론과 다이아몬드트론은 아퍼처 그릴을 사용하고 크로마클리어는 슬롯 마스크를 사용한다. 일부 섀도우 마스크 음극선관은 형광체를 비추는 전자빔보다 직경이 작은 컬러 형광체를 가질 수 있는데,[400] 이는 형광체 전체를 덮어 이미지 밝기를 높이기 위함이다.[401] 섀도우 마스크는 곡면 형태로 압착될 수 있다.[402][403]

스크린 제조

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초기 컬러 음극선관은 블랙 매트릭스가 없었으나, 1969년 제니스에 의해, 1970년 파나소닉에 의해 도입되었다.[401][404][134] 블랙 매트릭스는 형광체 점들을 서로 격리하여 한 형광체에서 다른 형광체로 빛이 새는 것을 방지하므로 전자빔의 일부가 블랙 매트릭스에 닿게 된다. 이는 섀도우 마스크의 뒤틀림 현상 때문에 필수적이기도 하다.[70][400] 빛 번짐은 엉뚱한 형광체 점을 때리는 미세 전자에 의해 여전히 발생할 수 있다. 높은 해상도와 화면 재생 빈도에서 형광체는 매우 적은 양의 에너지만을 받게 되어 이미지 밝기가 제한된다.[334]

블랙 매트릭스를 만들기 위해 여러 방법이 사용되었다. 한 방법은 스크린에 중크롬산염 감광성 폴리비닐 알코올 포토레지스트와 같은 포토레지스트를 코팅하고 건조 및 노광한 후, 노광되지 않은 부분을 제거하고 스크린 전체를 콜로이드 흑연으로 코팅하여 탄소 필름을 만든 다음, 과산화 수소를 사용하여 포토레지스트와 그 위의 탄소를 함께 제거함으로써 구멍을 내어 블랙 매트릭스를 만드는 것이다. 포토레지스트는 스크린에 충분히 부착되도록 적절한 두께여야 했으며, 노광 단계는 빛 회절로 인해 가장자리가 고르지 않거나 구멍이 너무 작거나 커지는 것을 방지하도록 정밀하게 제어되어야 했는데, 이는 궁극적으로 대형 컬러 음극선관의 최대 해상도를 제한했다.[400] 그 구멍들은 위에 기술된 방법을 사용하여 형광체로 채워졌다. 다른 방법은 빛에 노출될 때 스크린에 부착되는 방향족 디아조늄 염에 현탁된 형광체를 사용했는데, 형광체를 도포하고 노광하여 스크린에 부착시키는 과정을 색상별로 한 번씩 반복했다. 그 후 스크린의 나머지 영역에 탄소를 도포하고 스크린 전체를 빛에 노출하여 블랙 매트릭스를 만든 다음, 수성 폴리머 용액을 사용한 정착 공정을 스크린에 적용하여 형광체와 블랙 매트릭스가 물에 견딜 수 있게 했다.[404] 블랙 매트릭스에 탄소 대신 흑색 크롬을 사용할 수도 있다.[400] 다른 방법들도 사용되었다.[405][406][407]

형광체는 포토리소그래피를 사용하여 도포된다. 스크린의 안쪽 면은 PVA 포토레지스트 슬러리에 현탁된 형광체 입자로 코팅되며,[408] 이는 적외선을 사용하여 건조되고, 노광 및 현상된다. 노광은 음극선관이 색 순도를 달성할 수 있도록 교정 렌즈가 달린 자외선 광원을 사용하는 "라이트하우스(lighthouse)"를 사용하여 수행된다. 스프링이 달린 클립으로 고정된 탈착식 섀도우 마스크가 포토마스크로 사용된다. 이 과정은 모든 색상에 대해 반복된다. 일반적으로 녹색 형광체가 가장 먼저 도포된다.[187][409][410] 형광체 도포 후 스크린은 스크린에 남아있을 수 있는 모든 유기 화학 물질(형광체 증착에 사용된 PVA 등)을 제거하기 위해 베이킹된다.[404][411] 대안으로 형광체를 진공 챔버에서 증발시켜 스크린에 응축되도록 함으로써 매우 균일한 코팅을 만들 수도 있다.[234] 초기 컬러 음극선관은 실크스크린 인쇄를 사용하여 형광체를 증착했다.[45] 형광체는 (시청자 쪽을 향해) 컬러 필터를 가질 수 있거나, 형광체에서 방출되는 색상의 안료를 포함하거나,[307] 또는 색 순도와 재현성을 개선하면서 눈부심을 줄이기 위해 컬러 필터에 캡슐화될 수 있다.[409][399] 이러한 기술은 도시바에서 마이크로필터(Microfilter)라는 브랜드명으로 판매되었다. 빛이 부족하여 노광이 제대로 되지 않으면 형광체가 스크린에 제대로 부착되지 않는데, 이는 고해상도에 필요한 작은 형광체 점들이 크기가 작아 빛을 많이 받을 수 없기 때문에 음극선관의 최대 해상도를 제한하게 된다.[412]

스크린에 형광체와 알루미늄이 코팅되고 섀도우 마스크가 설치된 후, 스크린은 무게 대비 65~88%의 산화 납을 함유할 수 있는 유리 프리트를 사용하여 원추부와 접합된다. 산화 납은 유리 프리트가 낮은 용융 온도를 갖게 하기 위해 필수적이다. 프리트를 안정화하기 위해 산화 붕소(III)가 존재할 수 있으며, 프리트의 열팽창을 조절하기 위해 충전재 분말로 알루미나 분말을 사용한다.[151][6] 프리트는 아밀 아세테이트 또는 알킬 메타크릴레이트 단량체를 포함하는 중합체에 프리트 입자가 현탁된 페이스트 형태로 도포될 수 있으며, 중합체와 단량체를 녹이기 위한 유기 용매가 함께 사용된다.[413] 그 후 음극선관은 오븐에서 레르 베이크(Lehr bake)라고 불리는 과정을 거쳐 프리트를 경화시키고 원추부와 스크린을 함께 밀봉한다. 프리트는 다량의 납을 함유하고 있어 컬러 음극선관이 단색 음극선관보다 더 많은 납을 함유하게 된다. 반면 단색 음극선관은 프리트가 필요하지 않으며, 가스 화염을 사용하여 원추부와 스크린의 가장자리를 녹이고 접합함으로써 원추부를 유리에 직접 융착할 수 있다.[107] 컬러 음극선관에 프리트가 사용되는 이유는 융착 과정 중 섀도우 마스크와 스크린의 변형을 방지하기 위해서이다. 스크린의 가장자리와 스크린과 맞닿는 음극선관 원추부의 가장자리는 절대 녹이지 않는다.[187] 프리트 페이스트를 도포하기 전 부착력을 높이기 위해 원추부와 스크린의 가장자리에 프라이머를 도포할 수 있다.[414] 레르 베이크는 음극선관을 점진적으로 가열한 후 435~475°C의 온도에 도달할 때까지 냉각시키는 여러 연속 단계로 구성된다.[413] 레르 베이크 후 음극선관은 오염 물질을 제거하기 위해 공기나 질소로 플러싱되고, 전자총을 삽입하여 음극선관의 넥에 밀봉한 후 진공을 형성한다.[415][209]

컬러 음극선관의 수렴 및 순도

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경제적으로 제조할 수 있는 음극선관의 치수 정밀도 한계 때문에, 오로지 전자총 축과 전자총 개구부 위치, 섀도우 마스크 개구부 등의 기하학적 구성만으로는 세 개의 전자빔이 각 색상의 형광체를 수용할 수 있는 협응력으로 타격하도록 컬러 음극선관을 제작하는 것이 실질적으로 불가능했다. 섀도우 마스크는 한 빔이 특정 색상의 형광체 점들만 타격하도록 보장하지만, 개별 음극선관 사이의 내부 부품 정렬 상태의 미세한 차이로 인해 섀도우 마스크를 통과하는 빔의 정확한 정렬에 변동이 생겨, 개별 관마다 보정이 이루어지지 않는 한 적색 빔의 일부 전자가 청색 형광체를 타격하는 등의 일이 발생할 수 있다.

컬러 수렴(convergence)과 색 순도(purity)는 이 하나의 문제에 대한 두 가지 측면이다. 첫째, 올바른 색 재현을 위해서는 빔이 화면의 어디에 편향되더라도 세 빔 모두 섀도우 마스크의 동일한 지점(명목상 동일한 구멍이나 슬롯)을 통과하여 타격해야 한다. 이를 수렴이라고 한다. 더 구체적으로, 화면 중앙(요크에 의해 편향 자기장이 가해지지 않은 상태)에서의 수렴을 정적 수렴(static convergence)이라고 하며, 나머지 화면 영역(특히 가장자리와 모서리)에서의 수렴을 동적 수렴(dynamic convergence)이라고 한다.[121] 빔이 화면 중앙에서는 수렴하더라도 가장자리로 편향되면서 서로 멀어질 수 있는데, 이러한 음극선관은 정적 수렴은 좋으나 동적 수렴은 나쁘다고 말한다. 둘째, 각 빔은 오직 타격하기로 예정된 색상의 형광체만을 때려야 하며 다른 색상은 때리지 않아야 한다. 이를 순도라고 한다. 수렴과 마찬가지로 정적 순도와 동적 순도가 있으며, "정적"과 "동적"의 의미는 수렴에서와 동일하다. 순도와 수렴은 별개의 파라미터이다. 음극선관은 순도는 좋으나 수렴이 나쁠 수 있고 그 반대일 수도 있다. 나쁜 수렴은 마치 이미지가 부실하게 등록된 요판 인쇄처럼 표시된 가장자리와 윤곽선을 따라 색상 "그림자"나 "유령"을 유발한다. 나쁜 순도는 가장자리는 선명하게 유지되면서 화면상의 객체 색상이 본래 색상과 다르게 나타나게 한다. 순도와 수렴 문제는 화면의 동일한 구역이나 다른 구역에서 동시에 발생할 수 있으며, 화면 전체에 걸쳐 균일하게 또는 구역마다 다른 정도로 나타날 수 있다.

TV 수상기에 자석을 사용한 모습. 이미지의 왜곡에 주목하라.

정적 수렴 및 순도 문제의 해결책은 음극선관 넥 주위에 설치된 한 세트의 색 정렬 링 자석이다.[416] 이 움직일 수 있는 약한 영구 자석들은 보통 편향 요크 어셈블리의 뒷면에 장착되어, 조정되지 않은 관 고유의 정적 순도 및 수렴 오류를 보정하기 위해 공장에서 설정된다. 일반적으로 자성 물질이 함침된 플라스틱 링 형태로 된 2개 또는 3쌍의 자석이 있으며, 이들의 자기장은 자석 평면에 평행하고 전자총 축에 수직이다. 흔히 한 쌍의 링은 2극, 다른 하나는 4극, 나머지 링은 6극을 가진다. 각 자기 링 쌍은 방향과 세기 모두를 자유롭게 조정할 수 있는 하나의 유효 자석을 형성한다. 한 쌍의 자석을 서로에 대해 회전시킴으로써 상대적인 자기장 정렬을 변화시켜 쌍의 유효 자기장 세기를 조정할 수 있다. 한 쌍의 자석 사이의 상대적 각도를 유지하면서 함께 회전시킴으로써 집단 자기장의 방향을 변화시킬 수 있다. 전체적으로 수렴/순도 자석들을 모두 조정하면 미세하게 조정된 약간의 전자빔 편향 또는 횡방향 오프셋을 적용할 수 있으며, 이는 보정되지 않은 관 고유의 미세한 정적 수렴 및 순도 오류를 상쇄한다. 일단 설정되면 이 자석들은 보통 제자리에 접착되지만, 필요한 경우 현장(예: TV 수리점)에서 풀어서 다시 조정할 수 있다.

일부 음극선관에서는 화면의 특정 지점(일반적으로 모서리나 가장자리 근처)에서의 동적 수렴 또는 동적 순도를 위해 추가적인 고정식 조정 자석이 추가된다. 동적 수렴 및 순도의 추가 조정은 일반적으로 수동적으로 수행될 수 없으며, 수평으로 수렴을 수정하는 회로와 수직으로 수정하는 회로 등 능동적인 보정 회로가 필요하다. 이 경우 편향 요크는 수렴 신호가 가해지는 동일한 코어에 감긴 색상당 두 개씩의 수렴 코일 세트를 포함한다. 이는 3개 그룹의 6개 수렴 코일을 의미하며, 그룹당 2개의 코일이 있고 하나는 수평 수렴 보정용, 다른 하나는 수직 수렴 보정용이며 각 그룹은 코어를 공유한다. 그룹들은 서로 120° 떨어져 있다. 동적 수렴은 음극선관 전면과 섀도우 마스크가 구형이 아니기 때문에 발생하는 전자빔의 초점 이탈과 비점수차를 보정하기 위해 필요하다. 음극선관 스크린이 구형이 아니라는 사실은 회로를 사용하여 수정할 수 있는 기하학적 문제로 이어진다. 수렴에 사용되는 신호는 수직 출력 회로에서 오는 세 가지 신호에서 파생된 포물선 파형이다. 포물선 신호는 수렴 코일에 공급되는 반면, 나머지 두 개는 포물선 신호와 섞여 수렴에 필요한 신호를 만드는 톱니파 신호이다. 저항과 다이오드는 수렴 신호를 화면 중앙에 고정하여 정적 수렴에 영향을 받지 않도록 하는 데 사용된다. 수평 및 수직 수렴 회로는 유사하다. 각 회로에는 보통 하나는 15,625Hz에, 다른 하나는 31,250Hz에 튜닝된 두 개의 공명기가 있어 수렴 코일로 보내는 신호의 주파수를 설정한다.[417] 동적 수렴은 전자총의 정전기적 4중극장을 사용하여 수행될 수 있다.[418] 동적 수렴은 전자빔이 편향 코일과 스크린 사이를 완벽한 직선으로 이동하지 않음을 의미하는데, 수렴 코일이 스크린에 맞게 빔이 휘어지도록 만들기 때문이다.

수렴 신호는 대신 약간의 사인파 외형을 가진 톱니파 신호일 수 있는데, 사인파 부분은 각 편향 코일과 직렬로 연결된 축전기를 사용하여 생성된다. 이 경우 수렴 신호는 편향 코일을 구동하는 데 사용된다. 신호의 사인파 부분은 전자빔이 화면 가장자리 근처에서 더 천천히 움직이게 한다. 수렴 신호를 만드는 데 사용되는 축전기는 S-커패시터로 알려져 있다. 이러한 유형의 수렴은 많은 음극선관 컴퓨터 모니터의 높은 편향각과 평면 스크린 때문에 필요하다. S-커패시터의 값은 음극선관의 스캔 레이트에 따라 선택되어야 하므로, 멀티싱크 모니터는 각 재생 빈도마다 하나씩 서로 다른 S-커패시터 세트를 가져야 한다.[115]

동적 수렴은 일부 음극선관에서 링 자석, 음극선관에 부착된 자석, 그리고 고정 나사, 클램프 및 고무 웨지 등을 사용하여 위치가 유지되는 편향 요크의 위치를 변화시킴으로써만 수행될 수도 있다.[121][419] 90° 편향각 음극선관은 동적 수렴 없이 "자가 수렴(self-convergence)"을 사용할 수 있는데, 이는 인라인 트라이어드 배열과 함께 별도의 수렴 코일 및 관련 회로의 필요성을 없애 비용, 복잡성 및 음극선관 깊이를 10밀리미터 줄여준다. 자가 수렴은 "불균일한" 자기장을 통해 작동한다. 110° 편향각 음극선관에는 동적 수렴이 필수적이며, 특정 주파수에서 편향 요크의 4중극 권선을 동적 수렴을 위해 사용할 수도 있다.[420]

동적 색 수렴 및 순도는 음극선관 역사에서 후기까지 음극선관이 넥이 길고(깊고) 이축 곡면을 가졌던 주요 원인 중 하나이다. 이러한 기하학적 설계 특징은 본질적인 수동적 동적 색 수렴 및 순도를 위해 필요하다. 1990년대에 들어서야 넥이 짧고 평면인 음극선관을 실용화할 수 있게 해주는 정교한 능동 동적 수렴 보정 회로가 사용 가능해졌다. 이러한 능동 보정 회로는 편향 요크를 사용하여 빔 표적 위치에 따라 빔 편향을 미세하게 조정한다. 동일한 기술(및 주요 회로 부품)은 사용자의 제어하에 있는 전자 장치를 통해 표시 이미지의 회전, 기울기 및 기타 복잡한 래스터 기하학적 파라미터의 조정을 가능하게 한다.[115]

또는 전자총들을 네크 바로 바깥에 배치된 컨버전스 링을 사용하여 서로 정렬(수렴)할 수 있으며, 전자총당 하나의 링을 사용한다. 링은 북극과 남극을 가질 수 있다. 링은 4세트로 구성될 수 있는데, 첫 번째는 RGB 컨버전스를 조정하고, 두 번째는 적색과 청색 컨버전스를 조정하며, 세 번째는 수직 래스터 이동을 조정하고, 네 번째는 순도(purity)를 조정한다. 수직 래스터 이동은 스캔라인의 직선성을 조정한다. CRT는 또한 CRT의 가장자리에서 정확한 컨버전스를 보장하는 동적 컨버전스 회로를 채용할 수 있다. 가장자리의 컨버전스를 보정하기 위해 퍼멀로이 자석이 사용될 수도 있다. 컨버전스는 크로스해치(격자) 패턴의 도움을 받아 수행된다.[421][422] 다른 CRT들은 링 대신 안팎으로 밀어 넣는 자석을 사용할 수도 있다.[394] 초기 컬러 CRT에서는 컨버전스를 돕기 위해 섀도우 마스크의 구멍이 화면 중심에서 바깥쪽으로 갈수록 점차 작아졌다.[401]

자기 차폐 및 디가우싱

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디가우싱이 진행 중인 모습
오실로스코프 CRT용 뮤메탈 자기 차폐체

섀도우 마스크나 애퍼처 그릴이 자화되면 그 자기장이 전자빔의 경로를 바꾼다. 전자가 더 이상 의도한 경로만을 따르지 않고 의도치 않은 다른 색상의 형광체에 충돌하게 되므로 "색순도" 오류가 발생한다. 예를 들어, 적색 빔의 일부 전자가 청색이나 녹색 형광체에 충돌하여 순수한 적색이어야 할 이미지 부분에 마젠타색이나 황색 색조가 나타날 수 있다. (자화가 국부적이라면 이 효과는 화면의 특정 영역에 국한된다.) 따라서 섀도우 마스크나 애퍼처 그릴이 자화되지 않는 것이 중요하다. 지구 자기장이 CRT의 색순도에 영향을 줄 수 있다.[421] 이 때문에 일부 CRT는 깔때기(funnel) 부분 위에 외부 자기 차폐체를 갖추고 있다. 자기 차폐체는 연철이나 연강으로 만들어질 수 있으며 디가우싱 코일을 포함한다.[423] 자기 차폐체와 섀도우 마스크는 지구 자기장에 의해 영구적으로 자화될 수 있으며, 이는 CRT를 옮길 때 색순도에 악영항을 미친다. 이 문제는 많은 TV와 컴퓨터 모니터에 내장된 디가우싱 코일로 해결된다. 디가우싱은 CRT를 켤 때마다 자동으로 수행될 수 있다.[424][187] 자기 차폐체는 CRT 깔때기 내부에 있는 내부형일 수도 있다.[425][426][115][427][428][429]

TV 세트와 컴퓨터 모니터의 컬러 CRT 디스플레이는 흔히 CRT 면의 둘레를 따라 장착된 내장 디가우싱(자기 제거) 코일을 갖추고 있다. CRT 디스플레이에 전원을 넣으면 디가우싱 회로는 코일을 통해 짧은 교류 전류를 발생시키며, 이 전류는 몇 초에 걸쳐 0으로 감쇠하면서 코일로부터 감쇠하는 교류 자기장을 생성한다. 이 디가우싱 자기장은 대부분의 경우 섀도우 마스크의 자성을 제거하여 색순도를 유지할 수 있을 만큼 강력하다.[430][431] 내부 디가우싱 자기장이 충분하지 않을 정도로 강력하게 자화된 이례적인 경우에는 더 강력한 휴대용 디가우서나 탈자기기를 사용하여 외부에서 섀도우 마스크를 디가우싱할 수 있다. 그러나 교류든 직류든 지나치게 강한 자기장은 섀도우 마스크를 기계적으로 변형(구부림)시켜 자화 효과와 매우 유사해 보이는 영구적인 색상 왜곡을 화면에 일으킬 수 있다.

해상도

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도트피치는 델타 전자총 CRT를 가정할 때 디스플레이의 최대 해상도를 정의한다. 이러한 CRT에서 스캔 해상도가 도트피치 해상도에 도달하면 무아레 현상이 나타나는데, 이는 표시되는 세부 사항이 섀도우 마스크가 표현할 수 있는 것보다 더 미세하기 때문이다.[432] 하지만 애퍼처 그릴 모니터는 형광체 스트라이프에 수직 세부 사항이 없기 때문에 수직 무아레 현상을 겪지 않는다. 작은 CRT에서 이 스트립들은 스스로 위치를 유지하지만, 더 큰 애퍼처 그릴 CRT는 하나 또는 두 개의 가로(수평) 지지 스트립이 필요하다. 작은 CRT에는 하나, 큰 CRT에는 두 개가 쓰인다. 지지 철사는 전자를 차단하므로 철사가 눈에 보일 수 있다.[433] 애퍼처 그릴 CRT에서 도트피치는 스트라이프 피치로 대체된다. 히타치 제작소는 원형 구멍 대신 타원형 구멍과 그에 상응하는 타원형 형광체 도트를 사용하는 개선된 도트피치(EDP) 섀도우 마스크를 개발했다.[399] 섀도우 마스크 CRT에서 무아레는 섀도우 마스크의 구멍을 벌집 모양 패턴으로 배치함으로써 감소된다.[115]

음극선관 프로젝터

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CRT 프로젝터용 관은 CRT 프로젝터 및 CRT 리어 프로젝션 텔레비전에 사용되었으며, 보통 크기가 작다(대각선 7~9 인치).[260] 적색, 녹색 또는 청색광 중 하나를 생성하는 형광체를 가지고 있어 단색 CRT가 되며,[434] 구조는 다른 단색 CRT와 유사하다. 일반적으로 더 큰 프로젝터용 CRT가 더 오래 지속되고 더 높은 밝기 수준과 해상도를 제공할 수 있었지만 더 비쌌다.[435][436] 프로젝터용 CRT는 그 크기에 비해 이례적으로 높은 애노드 전압(예: 5인치 또는 7인치 프로젝터용 CRT의 경우 각각 27 또는 25 kV)을 가지며,[437][438] 보통 사용되는 순수 산화 바륨 대신 특수 제작된 텅스텐/바륨 캐소드를 사용한다. 이는 20% 다공성 텅스텐에 박힌 바륨 원자 또는 바륨 및 칼슘 알루미네이트, 또는 다공성 텅스텐에 코팅된 바륨, 칼슘 및 알루미늄 산화물로 구성되며, 바륨이 텅스텐을 통해 확산되어 전자를 방출한다.[439] 이 특수 캐소드는 일반 캐소드의 0.3mA 대신 2mA의 전류를 공급할 수 있어,[440][439][227][167] 투사용 광원으로 쓰기에 충분할 만큼 밝다. 높은 애노드 전압과 특수 제작된 캐소드는 각각 전자빔의 전압과 전류를 증가시켜 형광체에서 방출되는 빛뿐만 아니라 작동 중에 발생하는 열의 양도 증가시킨다. 이는 프로젝터용 CRT에 냉각이 필요함을 의미한다. 화면은 보통 글리콜이 담긴 용기(화면이 용기의 일부를 형성함)를 사용하여 냉각된다. 글리콜 자체가 착색될 수도 있고,[441] 색이 있는 용기(c-엘리먼트라고 알려진 렌즈를 형성함) 내부에서 무색 글리콜이 사용될 수도 있다. 색상이 있는 렌즈나 글리콜은 밝기를 희생하는 대신 색 재현력을 향상시키기 위해 사용되며, 적색과 녹색 CRT에만 사용된다.[442][443] 각 CRT에는 고유한 글리콜이 있으며, 글리콜이 냉각되고 가열됨에 따라 수축 및 팽창할 수 있도록 기포가 들어있다. 프로젝터용 CRT는 비점수차(astigmatism), 즉 전자빔이 퍼지는 현상(그림자와 유사한 부가적인 빛)을 조정하기 위해 컬러 CRT와 마찬가지로 조정 링을 가질 수 있다.[444][445] 조정 링은 세 개인데, 하나는 2극, 하나는 4극, 다른 하나는 6극이다. 올바르게 조정되면 프로젝터는 빛의 번짐 없이 완벽하게 둥근 점을 표시할 수 있다.[446] 프로젝터용 CRT에 사용되는 화면은 평소보다 더 투명하여 투과율이 90%에 달했다.[119] 최초의 프로젝터용 CRT는 1933년에 만들어졌다.[447]

프로젝터용 CRT는 정전 포커싱과 전자기 포커싱 방식이 있었으며, 후자가 더 비쌌다. 정전 포커싱은 전자 장치를 사용하여 전자빔의 초점을 맞추고, 미세한 초점 조정을 위해 CRT 네크 주위의 포커싱 자석을 함께 사용했다. 이 유형의 포커싱은 시간이 지남에 따라 성능이 저하되었다. 전자기 포커싱은 1990년대 초에 도입되었으며 기존 포커싱 자석 외에 전자기 포커싱 코일을 포함했다. 전자기 포커싱은 CRT의 수명 동안 훨씬 더 안정적이었으며, 수명이 다할 때까지 선명도의 95%를 유지했다.[448]

빔 인덱스 관

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Uniray, Apple CRT 또는 Indextron으로도 알려진 빔 인덱스 관은[449] 1950년대에 필코가 섀도우 마스크 없이 컬러 CRT를 만들기 위해 시도한 것으로, 컨버전스 및 순도 문제를 제거하고 편향각이 더 큰 더 얇은 CRT를 가능하게 하려 했다.[450] 또한 일반적으로 전자총에서 생성된 전자의 약 80%를 차단하는 섀도우 마스크를 사용하지 않았기 때문에 최종 애노드에 더 낮은 전압의 전원 공급 장치가 필요했다. 섀도우 마스크가 없기 때문에 지구 자기장의 영향을 받지 않았으며 디가우싱이 불필요하고 이미지 밝기가 증가했다.[451] 아쿠아닥(aquadag) 외부 코팅, 알루미늄 내부 코팅, 단일 전자총을 가진 단색 CRT와 유사하게 구성되었으나, 화면에는 적색, 녹색, 청색 및 UV(인덱스) 형광체 스트라이프가 교대로 배치된 패턴(트리니트론과 유사함)이 있었다. 또한 측면에 장착된 광전 증폭관[452][451]이나 광다이오드가 화면 뒷면을 향해 CRT 깔때기에 장착되어, 동일한 전자빔을 사용하여 형광체들을 서로 분리하여 활성화할 수 있도록 전자빔을 추적했다. 추적에는 인덱스 형광체 스트라이프만 사용되었으며, 이것은 알루미늄 층으로 덮이지 않은 유일한 형광체였다.[319] 생산에 필요한 정밀도 때문에 보류되었다.[453][454] 1980년대에 소니가 Indextron으로 다시 부활시켰으나, 적어도 부분적으로는 LCD 디스플레이의 발전으로 인해 채택이 제한적이었다. 빔 인덱스 CRT는 또한 전자빔을 추적하기 위해 광다이오드가 항상 형광체의 일부 발광을 필요로 했기 때문에 명암비가 약 50:1 정도로 낮았다. 섀도우 마스크가 없기 때문에 단일 CRT 컬러 CRT 프로젝터를 가능하게 했다. 일반적으로 CRT 프로젝터는 높은 애노드 전압과 빔 전류로 인해 많은 열이 발생하여 섀도우 마스크가 열에 의해 휘어지기 때문에(섀도우 마스크는 대부분의 전자빔과 상대론적 전자가 운반하는 대부분의 에너지를 흡수함) 비실용적이고 비효율적이어서 각 색상당 하나씩 세 개의 CRT를 사용한다.[455] 세 개의 CRT를 사용한다는 것은 프로젝터 설치 중에 복잡한 캘리브레이션 및 조정 절차[456]를 수행해야 함을 의미하며, 프로젝터를 옮기면 재보정이 필요했다. 단일 CRT를 사용하면 캘리브레이션의 필요성이 사라졌으나, 각 색상이 고유한 CRT 화면을 갖는 대신 하나의 CRT 화면을 세 가지 색상에 사용해야 했으므로 밝기가 감소했다.[449] 또한 스트라이프 패턴은 수평 해상도 제한을 가한다. 반면, 3화면 CRT 프로젝터는 단일하고 균일한 형광체 코팅을 가지므로 이론적인 해상도 제한이 없다.

평면 CRT

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소니 워치맨 단색 평면 CRT의 전면
1984년형 싱클레어 TV80 휴대용 TV 내부의 평면 단색 CRT 어셈블리

평면 CRT는 화면이 평평한 것이다. 화면은 평평하지만 특히 내부가 완전히 평평하지 않을 수 있으며, 대신 곡률이 크게 증가된 형태일 수 있다. 주목할만한 예외는 LG 플래트론(LG.Philips Displays, 이후 LP 디스플레이 제작)으로, 외부와 내부가 진정으로 평평하지만 내파 방지를 위해 인장 림 밴드가 있는 유리판이 화면에 접합되어 있다. 이러한 완전히 평평한 CRT는 1986년 제니스에서 처음 도입되었으며, 섀도우 마스크가 인장 상태로 유지되어 블루밍에 대한 저항력을 높인 평면 인장 섀도우 마스크를 사용했다.[457][458][459][251][340][460] LG의 플래트론 기술은 현재 LG의 자회사인 제니스가 개발한 이 기술에 기반을 두고 있다.[461][462] 평면 CRT는 편향과 같은 여러 과제를 안고 있다. 감소된 곡률을 보상하기 위해 수직 편향 코일로 보내지는 전류량을 늘리기 위한 수직 편향 부스터가 필요하다.[463] 싱클레어 TV80과 많은 소니 워치맨에 사용된 CRT는 깊이가 깊지 않고 전면 화면이 평평하다는 점에서 평면이었지만, 전자총이 화면 측면에 배치되었다.[464][465] TV80은 정전편향을 사용했고,[466] 워치맨은 안쪽으로 굽은 형광체 화면과 함께 자기편향을 사용했다. 유사한 CRT가 비디오 도어 벨에도 사용되었다.[467]

레이더 CRT

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7JP4와 같은 레이더 CRT는 원형 화면을 가졌으며 중심에서 바깥쪽으로 빔을 스캔했다. 편향 요크가 회전하여 빔이 원을 그리며 회전하게 했다.[468] 화면은 종종 두 가지 색상을 가졌는데, 빔이 디스플레이를 스캔할 때만 나타나는 밝은 짧은 잔상 색상과 긴 잔상 형광체 잔광이었다. 빔이 형광체에 충돌하면 형광체가 밝게 빛나고, 빔이 떠나면 빔이 다시 형광체에 충돌할 때까지 빔에 의해 "기록된" 레이더 목표물과 함께 빔이 형광체에 충돌했던 자리에 더 어두운 긴 잔상 잔광이 계속 켜져 있게 된다.[469][470]

오실로스코프 CRT

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리사주 곡선을 보여주는 오실로스코프
오실로스코프의 전자총. 왼쪽에 한 쌍의 편향판이 보인다.

오실로스코프 CRT에서는 TV 및 다른 대형 CRT에서 흔히 쓰이는 자기편향 대신 정전편향이 사용된다. 빔은 좌우 판 사이에 전기장을 가해 수평으로 편향시키고, 위아래 판에 전기장을 가해 수직으로 편향시킨다. TV는 정전편향 대신 자기편향을 사용하는데, 그 이유는 크기에 비해 상대적으로 짧은 관에 필요한 만큼 편향각이 커질 때 편향판이 빔을 가로막기 때문이다. 일부 오실로스코프 CRT는 CRT 전체에 균일한 애노드 전위를 보장하기 위해 나선형 모양의 후단 가속 애노드(PDA)를 통합하고 최대 15 kV에서 작동한다. PDA CRT에서 전자빔은 가속되기 전에 편향되는데, 이는 특히 듀티 사이클이 짧은 전압 펄스를 분석할 때 감도와 판독 능력을 향상시킨다.[471][159][472]

마이크로채널 플레이트

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빠른 단발성(one-shot) 이벤트를 표시할 때 전자빔은 매우 빠르게 편향되어야 하며 화면에 충돌하는 전자가 적어 디스플레이에 희미하거나 보이지 않는 이미지가 나타나게 된다. 매우 빠른 신호용으로 설계된 오실로스코프 CRT는 전자빔이 화면에 도달하기 직전에 마이크로채널 플레이트를 통과하게 함으로써 더 밝은 디스플레이를 제공할 수 있다. 이차 방출 현상을 통해 이 플레이트는 형광체 화면에 도달하는 전자의 수를 증폭시켜 기록 속도(밝기)를 크게 개선하고 감도와 스폿 크기도 개선한다.[473][474]

그래티큘

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대부분의 오실로스코프는 측정을 용이하게 하기 위해 시각적 디스플레이의 일부로 그래티큘을 가지고 있다. 그래티큘은 CRT의 면 안쪽에 영구적으로 표시되어 있거나 유리 또는 아크릴 플라스틱으로 된 투명한 외부 판일 수 있다. 내부 그래티큘은 시차 오류를 제거하지만 다른 유형의 측정을 수용하도록 변경할 수는 없다.[475] 오실로스코프는 일반적으로 그래티큘을 측면에서 조명하여 가시성을 높이는 수단을 제공한다.[476]

이미지 저장관

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텍트로닉스 Type 564: 최초의 양산형 아날로그 형광체 저장 오실로스코프

이들은 아날로그 형광체 저장 오실로스코프에서 발견된다. 이들은 이미지를 저장하기 위해 고체 상태 디지털 메모리에 의존하는 디지털 오실로스코프와는 구별된다.

단일한 짧은 이벤트가 오실로스코프에 의해 모니터링될 때, 그러한 이벤트는 실제로 발생할 때만 일반적인 관에 의해 표시된다. 긴 잔상 형광체를 사용하면 이벤트 후에 이미지를 관찰할 수 있지만 기껏해야 몇 초 동안만 가능하다. 이 제한은 직접 시각 저장 음극선관(저장관)을 사용하여 극복할 수 있다. 저장관은 이벤트가 발생한 후 지워질 때까지 이미지를 계속 표시한다. 저장관은 형광체 화면 바로 뒤에 유전체 층으로 코팅된 금속 그리드가 장착되어 있다는 점을 제외하면 일반적인 관과 유사하다. 메시에 외부 전압을 가하면 초기에 전체 메시가 일정한 전위가 된다. 이 메시는 메인 전자총과 독립적으로 작동하는 '플러드 건(flood gun)'에서 나오는 저속 전자빔에 지속적으로 노출된다. 이 플러드 건은 메인 전자총처럼 편향되지 않고 저장 메시 전체를 지속적으로 '조명'한다. 저장 메시의 초기 전하량은 플러드 건에서 나오는 전자를 밀어내어 형광체 화면에 충돌하지 못하게 하는 정도다.

메인 전자총이 화면에 이미지를 기록할 때 메인 빔의 에너지는 저장 메시에 '전위 릴리프'를 생성하기에 충분하다. 이 릴리프가 생성된 영역은 더 이상 플러드 건의 전자를 밀어내지 않으며, 이제 전자가 메시를 통과하여 형광체 화면을 비춘다. 결과적으로 메인 전자총에 의해 짧게 추적된 이미지는 발생 후에도 계속 표시된다. 메시에 외부 전압을 다시 공급하여 일정한 전위를 회복함으로써 이미지를 '삭제'할 수 있다. 실제로 플러드 건이 저장 메시의 전하를 천천히 중화시키기 때문에 이미지가 표시될 수 있는 시간은 제한적이었다. 이미지를 더 오래 유지하는 한 가지 방법은 일시적으로 플러드 건을 끄는 것이다. 그러면 며칠 동안 이미지를 유지할 수 있다. 대다수의 저장관은 저장 메시에 더 낮은 전압을 가할 수 있게 하여 초기 전하 상태를 천천히 회복시킨다. 이 전압을 변화시킴으로써 가변 잔상을 얻을 수 있다. 플러드 건과 저장 메시로의 전압 공급을 끄면 그러한 관은 일반적인 오실로스코프 관으로 작동할 수 있다.[477]

벡터 모니터

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벡터 모니터는 초기 컴퓨터 지원 설계 시스템에 사용되었으며,[478] 아스테로이즈와 같은 일부 1970년대 후반에서 1980년대 중반 아케이드 게임에 사용되었다.[479] 이들은 래스터를 스캔하는 대신 점과 점 사이를 연결하여 그래픽을 그린다. 벡터 디스플레이에는 단색 또는 컬러 CRT를 모두 사용할 수 있으며, CRT 설계 및 작동의 기본 원리는 두 가지 유형의 디스플레이에서 동일하다. 주요 차이점은 빔 편향 패턴과 회로에 있다.

데이터 저장관

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윌리엄스관 또는 윌리엄스-킬번 관은 이진 데이터를 전자적으로 저장하기 위해 사용된 음극선관이었다. 이는 1940년대 컴퓨터에서 임의 접근 디지털 저장 장치로 사용되었다. 이 문서의 다른 CRT와 대조적으로 윌리엄스관은 디스플레이 장치가 아니었으며 사실상 금속판이 화면을 덮고 있었기 때문에 볼 수도 없었다.

매직아이

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일부 진공관 라디오 세트에는 수신기의 튜닝을 돕기 위해 "매직 아이" 또는 "튜닝 아이" 관이 제공되었다. 방사형 그림자의 폭이 최소화될 때까지 튜닝을 조정했다. 이는 더 비싼 전기기계식 미터 대신 사용되었으며, 나중에 트랜지스터 세트가 장치를 구동하는 데 필요한 고전압이 부족해지면서 하이엔드 튜너에서 사용되게 되었다.[480] 동일한 유형의 장치가 테이프 레코더에서 녹음 레벨 미터로 사용되었으며 전기 테스트 장비를 포함한 다양한 다른 응용 분야에도 사용되었다.

캐릭터론

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초기 컴퓨터용 일부 디스플레이(벡터를 사용하여 실용적인 것보다 더 많은 텍스트를 표시해야 했거나 사진 출력을 위해 고속이 필요했던 것들)는 캐릭터론(Charactron) CRT를 사용했다. 이들은 구멍이 뚫린 금속 캐릭터 마스크(스텐실)를 포함하고 있는데, 이는 화면에 캐릭터를 형성하도록 넓은 전자빔을 성형한다. 시스템은 한 세트의 편향 회로를 사용하여 마스크에서 캐릭터를 선택하지만, 그로 인해 성형된 빔이 축을 벗어나게 되므로 두 번째 편향판 세트가 빔을 화면 중앙으로 향하도록 다시 조준해야 한다. 세 번째 판 세트는 캐릭터를 필요한 위치에 배치한다. 빔은 해당 위치에 캐릭터를 그리기 위해 짧게 비차단(켜짐)된다. 그래픽은 공백 코딩에 해당하는 마스크 위치(중앙에 작은 둥근 구멍이 있음)를 선택하여 그릴 수 있었으며(실제로는 단순히 그려지지 않음), 이는 사실상 캐릭터 마스크를 비활성화하고 시스템을 일반적인 벡터 동작으로 되돌렸다. 캐릭터론은 세 개의 편향 시스템이 필요했기 때문에 네크가 이례적으로 길었다.[481][482]

니모

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니모관 BA0000-P31

니모(Nimo)는 Industrial Electronic Engineers에서 제조한 소형 특수 CRT 제품군의 상표였다. 이들은 캐릭터론과 유사한 방식으로 숫자 형태의 전자빔을 생성하는 10개의 전자총을 가지고 있었다. 이 관들은 단순한 한 자리 디스플레이거나 적절한 자기 편향 시스템을 통해 생성된 더 복잡한 4자리 또는 6자리 디스플레이였다. 표준 CRT의 복잡함이 거의 없었기 때문에 관은 상대적으로 단순한 구동 회로를 필요로 했으며 이미지가 유리면에 투사되었으므로 경쟁 유형(예: 닉시관)보다 훨씬 넓은 시야각을 제공했다.[483] 그러나 여러 전압의 필요성과 고전압 때문에 흔하지는 않았다.

플러드 빔 CRT

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플러드 빔(Flood-beam) CRT는 점보트론과 같은 대형 비디오 월을 위한 픽셀로 배열된 소형 관이다. 이 기술(미쓰비시 전기에 의해 Diamond Vision이라 불림)을 사용한 최초의 화면은 1980년 메이저 리그 베이스볼 올스타전을 위해 미쓰비시 전기에 의해 도입되었다.[484][485] 이는 내부의 전자총이 집중되고 제어 가능한 빔을 생성하지 않는다는 점에서 일반적인 CRT와 다르다. 대신 전자가 형광체 화면 전체에 걸쳐 넓은 원뿔 모양으로 뿌려져 기본적으로 각 유닛이 단일 전구처럼 작동하게 만든다.[486] 각각은 컬러 서브 픽셀을 구성하기 위해 적색, 녹색 또는 청색 형광체로 코팅되어 있다. 이 기술은 대부분 발광 다이오드 디스플레이로 대체되었다. 초점이 맞춰지지 않고 편향되지 않은 CRT는 1958년부터 그리드 제어식 스트로보스코프 램프로 사용되었다.[487] 동일한 작동 원리를 사용하는 전자선 여기 발광(ESL) 램프는 2011년에 출시되었다.[488]

프린트 헤드 CRT

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형광체가 없는 전면 유리에 미세한 철사가 매립된 CRT는 1960년대에 정전식 프린트 헤드로 사용되었다. 철사는 전자빔 전류를 유리를 통해 종이 시트로 전달하고, 그곳에서 원하는 내용이 전기적 전하 패턴으로 퇴적되었다. 그런 다음 종이는 반대 전하를 띤 액체 잉크 풀 근처를 통과한다. 종이의 충전된 영역이 잉크를 끌어당겨 이미지를 형성한다.[489][490]

Zeus – 박형 CRT 디스플레이

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1990년대 후반과 2000년대 초반에 Philips Research Laboratories는 평판 디스플레이 내에 CRT와 유사한 기능을 포함하는 제우스(Zeus) 디스플레이로 알려진 일종의 박형 CRT를 실험했다. 이 디스플레이의 캐소드는 디스플레이 전면 아래에 장착되었으며, 캐소드에서 나온 전자는 디스플레이 뒷면으로 보내진 후 디스플레이 전면 근처의 전극에 의해 추출될 때까지 그곳에 머물다가 형광체 도트가 있는 디스플레이 전면으로 향하게 된다.[491][492][493][494][495] 이 장치들은 시연되었으나 시장에 출시되지는 않았다.

슬림형 CRT

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21인치 슈퍼슬림(Superslim)과 울트라슬림(Ultraslim) CRT의 비교

일부 CRT 제조업체인 LG.Philips Displays(이후 LP 디스플레이)와 삼성 SDI는 더 얇은 관을 만들어 CRT 기술을 혁신했다. 슬림형 CRT는 슈퍼슬림(Superslim),[496] 울트라슬림(Ultraslim),[497] 빅슬림(Vixlim, 삼성),[498] 그리고 사이버튜브(Cybertube)와 사이버튜브+(두 가지 모두 LG Philips 디스플레이)라는 상표명을 가졌다.[499][500] 21-인치 (53 cm) 평면 CRT는 447.2-밀리미터 (17.61 in)의 깊이를 가진다. 슈퍼슬림의 깊이는 352 밀리미터 (13.86 in)였고,[501] 울트라슬림은 295.7 밀리미터 (11.64 in)였다.[502]

건강 문제

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전리 방사선

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CRT는 소량의 엑스선 방사선을 방출할 수 있다. 이는 고에너지 전자가 감속될 때 제동 복사를 생성하는 섀도우 마스크/애퍼처 그릴 및 형광체에 대한 전자빔의 충돌 결과이다. 모니터 전면을 빠져나가는 방사선의 양은 유해하지 않은 것으로 널리 간주된다. 미국 미국 식품의약국(FDA) 규정 21 CFR 1020.10은 예를 들어 TV 수신기가 외부 표면으로부터 5 cm (2 in) 거리에서 시간당 0.5 밀리뢴트겐으로 엄격하게 제한하는 데 사용된다. 2007년 이후 대부분의 CRT는 이 제한보다 훨씬 낮은 방출량을 가진다.[503] 뢴트겐은 구식 단위이며 선량 흡수를 고려하지 않는다는 점에 유의하라. 변환율은 뢴트겐당 약 .877 rem이다.[504] 시청자가 전체 선량을 흡수한다고 가정할 때(그럴 가능성은 낮지만), 매일 2시간씩 TV를 시청한다면 시간당 .5 밀리뢴트겐의 선량은 시청자의 연간 선량을 320 밀리렘 증가시킨다. 비교하자면, 미국의 평균 배경 방사선은 연간 310 밀리렘이다. 만성 방사선의 부정적인 영향은 일반적으로 20,000 밀리렘 이상의 선량에서 두드러진다.[505]

CRT에 의해 생성되는 엑스선의 밀도는 전형적인 CRT의 래스터 스캔이 전자빔의 에너지를 전체 화면에 분산시키기 때문에 낮다. 15,000볼트 이상의 전압은 "연" 엑스선을 생성하기에 충분하다. 그러나 CRT가 한 번에 몇 시간 동안 켜져 있을 수 있으므로 CRT에서 생성되는 엑스선의 양이 상당해질 수 있으며, 따라서 CRT에 사용되는 두꺼운 납유리 및 바륨-스트론튬 유리와 같은 엑스선 차폐 재료의 사용이 중요하다.[138]

CRT에서 방출되는 엑스선에 대한 우려는 1967년 General Electric에서 만든 TV 세트가 "바람직한 수준을 초과하는 엑스선"을 방출하고 있다는 것이 발견되면서 시작되었다. 나중에 모든 제조업체의 TV 세트에서도 방사선이 방출되고 있음이 발견되었다. 이로 인해 TV 업계 대표들이 미국 의회 위원회에 소환되었고, 이후 연방 방사선 규제 법안이 제안되어 1968년 건강 및 안전을 위한 방사선 제어법(Radiation Control for Health and Safety Act)이 되었다. TV 소유자에게는 항상 TV 화면에서 최소 6피트 거리를 유지하고 TV 세트의 측면, 후면 또는 아래에서 "장시간 노출"을 피할 것이 권장되었다. 대부분의 방사선이 아래쪽으로 향한다는 것이 발견되었다. 소유자들은 또한 방사선 노출을 피하기 위해 세트 내부를 개조하지 말라는 지시를 받았다. "방사성" TV 세트에 대한 헤드라인은 1960년대 말까지 계속되었다. 한때 뉴욕의 두 국회의원은 TV 제조업체들이 "전국의 1,500만 컬러 세트를 모두 테스트하기 위해 가정에 방문하고 방사선 장치를 설치하도록" 강제하는 제안을 하기도 했다. 결국 FDA는 미국의 모든 전자 제품에서 나오는 방사선 방출을 규제하기 시작했다.[506]

독성

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오래된 컬러 및 단색 CRT는 형광체에 카드뮴과 같은 독성 물질을 포함하여 제조되었을 수 있다.[52][507][508][509] 현대 CRT의 후면 유리관은 납유리로 만들어졌을 수 있는데, 이는 부적절하게 폐기될 경우 환경적 위험을 나타낸다.[510] 1970년 이후 전면 패널(CRT의 가시 부분)의 유리는 납 대신 산화 스트론튬을 사용했지만, CRT 후면은 여전히 납유리로 생산되었다. 단색 CRT는 일반적으로 EPA TCLP 테스트를 통과하지 못할 만큼의 납유리를 포함하지 않는다. TCLP 프로세스는 침출수를 테스트하기 위해 유리를 미세한 입자로 갈아 약산에 노출시키지만, 손상되지 않은 CRT 유리는 침출되지 않는다(납은 납유리 크리스털 제품과 유사하게 유리 자체 내부에 포함된 유리화된 상태이다).

플리커

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낮은 화면 재생 빈도(60 Hz 이하)에서 디스플레이의 주기적인 스캔은 일부 사람들이 다른 사람들보다 더 쉽게 인식하는 플리커를 유발할 수 있으며, 특히 주변시로 볼 때 그러하다. 대부분의 TV가 50 Hz(PAL) 또는 60 Hz(NTSC)로 작동하기 때문에 플리커는 흔히 CRT와 연관되지만, 플리커가 없는 100 Hz PAL TV도 존재한다. 일반적으로 저가형 모니터만 그렇게 낮은 주파수에서 작동하며, 대부분의 컴퓨터 모니터는 최소 75 Hz를 지원하고 고급형 모니터는 플리커 인식을 제거하기 위해 100 Hz 이상이 가능하다.[511] 100 Hz PAL은 흔히 인터리브 스캔을 사용하여 회로와 스캔을 50 Hz의 두 빔으로 나누어 달성했다. 컴퓨터용이 아닌 CRT나 소나 또는 레이더용 CRT는 긴 잔상 형광체를 가질 수 있어 플리커가 없다. 비디오 디스플레이에서 잔상이 너무 길면 움직이는 이미지가 흐릿하게 보일 수 있다.

고주파 가청 소음

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TV에 사용되는 50 Hz/60 Hz CRT는 15,750 및 15,734.27 Hz(NTSC 시스템용) 또는 15,625 Hz(PAL 시스템용)의 수평 스캔 주파수로 작동한다.[512] 이러한 주파수는 인간 청각의 상위 범위에 속하며 많은 사람들에게는 들리지 않는다. 그러나 일부 사람들(특히 어린이)은 작동 중인 CRT TV 근처에서 높은 음조의 톤을 감지한다.[513] 이 소리는 자기 코어의 자기변형과 플라이백 변압기 권선의 주기적인 움직임 때문이지만,[514] 편향 코일, 요크 또는 페라이트 비드의 움직임에 의해서도 발생할 수 있다.[515]

100/120 Hz TV와 CGA(Color Graphics Adapter)가 아닌 컴퓨터 디스플레이에서는 이 문제가 발생하지 않는데, 인간이 들을 수 없는 훨씬 높은 수평 스캔 주파수(22 kHz ~ 100 kHz 이상)를 사용하기 때문이다.

내파

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내파 중인 CRT

유리 벽이 손상되면 대기압으로 인해 진공관이 위험한 파편으로 내파할 수 있으며, 이 파편들은 안쪽으로 가속된 후 모든 방향으로 고속으로 비산한다. TV와 컴퓨터 디스플레이에 사용되는 현대식 음극선관은 외장 파손을 방지하기 위해 에폭시로 접합된 페이스플레이트나 기타 조치를 취하고 있지만, 부상을 피하기 위해 CRT는 조심스럽게 다뤄야 한다.[516]

내파 방지

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노출된 섀시가 있는 Datapoint 1500 터미널. 노화된 PVA로 인해 "백내장"을 앓고 있는 CRT의 모습

초기 CRT는 접착제를 사용하여 화면 위에 유리판을 접합하여[145] 합판 유리 화면을 만들었다. 처음에는 접착제가 초산 비닐 수지(PVA)였으나,[517] LG 플래트론과 같은 후기 버전은 수지, 아마도 UV 경화 수지를 사용했다.[518][340] PVA는 시간이 지남에 따라 분해되어 화면의 빛이 통과하지 못하게 하는 "백내장", 즉 CRT 가장자리 주위에 분해된 접착제 고리를 형성한다.[517] 후기 CRT는 대신 둘레에 장착된 인장 금속 림 밴드를 사용하며, 이는 CRT를 하우징에 장착하기 위한 장착 지점도 제공한다.[372] 19인치 CRT에서 림 밴드의 인장 응력은 70 kg/cm2이다.[519]

오래된 CRT는 프레임을 사용하여 TV 세트에 장착되었다. 밴드는 가열하여 팽창시킨 후 CRT에 장착하고, 이후 밴드가 냉각되면서 크기가 줄어들어 유리를 압축 상태로 만든다.[520][145][521] 이는 유리를 강화하고 필요한 유리의 두께(따라서 무게)를 줄여준다. 이로 인해 밴드는 여전히 진공 상태인 손상되지 않은 CRT에서 절대로 제거해서는 안 되는 필수 구성 요소가 된다. 이를 제거하려고 하면 CRT가 내파할 수 있다.[318]

림 밴드는 화면이 깨졌을 때 CRT가 내파하는 것을 방지한다. 림 밴드는 에폭시를 사용하여 CRT 둘레에 접착될 수 있으며, 균열이 화면을 넘어 깔때기로 퍼지는 것을 방지한다.[522][521]

또는 림 밴드에 의한 압축을 사용하여 화면의 균열이 고속으로 측면으로 전파되도록 함으로써, 화면을 완전히 관통하기 전에 깔때기에 도달하여 이를 완전히 관통하게 할 수 있다. 이는 깔때기의 벽이 화면보다 얇기 때문에 가능하다. 깔때기를 먼저 완전히 관통하면 화면 바로 뒤의 짧은 거리에서 공기가 CRT로 들어올 수 있게 되어, CRT에 이미 공기가 있을 때만 균열에 의해 화면이 완전히 관통되고 깨지도록 보장함으로써 내파를 방지한다.[145]

전기 충격

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충분한 이미지 밝기를 달성하기 위해 캐소드에서 화면으로 전자를 충분한 에너지로 가속하려면[523] 소형 오실로스코프 CRT용 수천 볼트에서 대형 컬러 TV용 수만 볼트까지 매우 고전압(EHT 또는 초고압)이 필요하다. 이는 가정용 전원 전압보다 수십 배나 크다. 전원이 꺼진 후에도 일부 관련 축전기와 CRT 자체에 한동안 전하가 남아 있을 수 있으며, 따라서 주의를 기울이지 않은 사람이 축전기 방전 리드를 접지하는 등의 경우 접지를 통해 그 전하를 갑자기 소멸시킬 수 있다. 평균적인 단색 CRT는 인치당 1–1.5 kV의 애노드 전압을 사용할 수 있다.[524][271]

보안 문제

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어떤 상황에서는 CRT의 전자총, 스캐닝 회로 및 관련 배선에서 방출되는 신호를 원격으로 캡처하여 반 에크 프리킹이라는 프로세스를 통해 CRT에 표시되는 내용을 재구성하는 데 사용할 수 있다.[525] 특수 TEMPEST 차폐는 이 효과를 완화할 수 있다. 그러나 잠재적으로 악용 가능한 신호의 그러한 방출은 다른 디스플레이 기술[526] 및 일반적인 전자 제품에서도 발생한다.

재활용

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CRT 모니터에 포함된 독소 때문에 미국 환경보호청(EPA)은 (2001년 10월에) CRT를 특수 전자 폐기물 재활용 시설로 가져가야 한다는 규칙을 만들었다. 2002년 11월에 EPA는 쓰레기 매립지나 소각을 통해 CRT를 폐기한 회사들에 벌금을 부과하기 시작했다. 지역 및 주 차원의 규제 기관들은 CRT 및 기타 컴퓨터 장비의 폐기를 모니터링한다.[527]

전자 쓰레기로서 CRT는 재활용하기 가장 어려운 유형 중 하나로 간주된다.[528] CRT는 디스플레이에 필요한 납과 형광체(인이 아님)의 농도가 상대적으로 높다. 미국에는 적은 비용을 받고 CRT를 수거한 다음, 수확한 구리, 철사 및 인쇄 회로 기판을 판매하여 노동력을 보조하는 여러 회사가 있다. 미국 환경보호청(EPA)은 폐기된 CRT 모니터를 "유해 가정 폐기물" 범주에 포함시키지만,[529] 테스트를 위해 따로 보관된 CRT가 폐기되거나 투기적으로 축적되거나 날씨 및 기타 손상으로부터 보호되지 않은 채 방치되지 않는다면 이를 상품으로 간주한다.[530]

여러 주가 수거업체 및 재활용 시설에 대한 보고 요건을 갖추고 CRT 재활용에 참여하고 있다. 예를 들어, 캘리포니아주에서 CRT 재활용은 지불 시스템을 통해 캘리포니아 자원 재활용 및 회수부(CALRecycle)에 의해 관리된다.[531] 기업 및 주거 부문에서 CRT 장치를 받아들이는 재활용 시설은 CRT 재활용 지불 시스템에 참여하기 위해 CRT가 캘리포니아 출처임을 보장할 수 있도록 주소 및 전화번호와 같은 연락처 정보를 확보해야 한다.

유럽에서 CRT TV와 모니터의 폐기는 전기 전자 제품 폐기물 지침(WEEE 지침)에 의해 다뤄진다.[532]

CRT 유리의 재활용을 위해 열적, 기계적 및 화학적 공정을 포함하는 다양한 방법이 제안되었다.[533][534][535][536] 제안된 모든 방법은 유리에서 산화 납 성분을 제거한다. 일부 회사들은 유리에서 납을 분리하기 위해 용광로를 가동했다.[537] 한때 여러 유럽 회사들이 CRT를 재활용하는 방법을 고안하기 위해 Recytube 프로젝트라는 연합을 결성하기도 했다.[5] CRT에 사용된 형광체는 종종 희토류 금속을 포함한다.[538][539][540][306] CRT 하나는 약 7 그램의 형광체를 포함한다.[541]

깔때기 부분은 레이저 커팅, 다이아몬드 톱 또는 와이어를 사용하거나 저항 가열된 니크롬선을 사용하여 CRT 화면에서 분리할 수 있다.[542][543][544][545][546]

납이 함유된 CRT 유리는 다른 CRT로 다시 녹여 팔리기도 했으며,[83] 심지어 분쇄되어 도로 건설에 사용되거나 타일,[547][548] 콘크리트, 콘크리트 및 시멘트 벽돌,[549] 유리섬유 단열재로 사용되거나 금속 제련 시 융제로 사용되었다.[550][551]

상당한 부분의 CRT 유리가 쓰레기 매립지에 매립되어 주변 환경을 오염시킬 수 있다.[5] CRT 유리는 재활용되기보다 폐기되는 것이 더 흔하다.[552]

관련 특허

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같이 보기

[편집]

각주

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내용주
  1. ↑ 실험적인 31인치 음극선관은 이미 1938년에 제작된 바 있다.[56]
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