발광 휘도와 효율 개선을 위한 무 수은 면 광원 소자 개발에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 유전체 장벽 방전(DBD:Diielectric Barrier Discharge)을 이용한 광원 소자인 무 수은 면 광원(MFFL : Mercury-free Flat Fluorescent Lamp)의 기본적인 전기, 광학적 방전 특성을 조사하고 이를 바탕으로 발광 휘도 및 효율을 개선하기 위해 구조 변수 및 방전 가스에 따른 방전 특성 분석을 통해 높은 발광 휘도와 효율을 가지는 새로운 전극 구조에 관한 연구를 수행하였다. 최근, 환경 문제가 세계적인 관심사로 대두가 되면서 수은 등의 오염 물질의 사용이 제한되는 추세이며 또한 LCD TV의 backlight unit으로 사용되고 있는 기존의CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)이나 LED(Light Emitting Diode)의 단점을 극복하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 무 수은 면 광원의 경우는 기존의 수은을 사용하는 CCFL과는 달리 자외선 원을 수은 대신에 Xe가스를 사용하여 친 환경적인 소자인 동시에 CCFL이나 LED와 같은 선이나 점의 형태로 발광하는 광원이 아니라 자체적으로 면 발광을 하는 소자이므로 부가적인 광학 장치를 사용하지 않아서 낮은 제조 비용과 광 손실을 줄일 수 있다는 장점이 존재한다. 하지만, Xe가스를 자외선 발광원으로 사용하게 되면 Xe가스에 의해 발생되는 진공 자외선이(147, 173nm) 수은(253.7nm)에 비해 파장이 짧으므로 형광체에 의한 가시광으로의 변환 시 에너지 손실이 많이 발생하여 발광 효율이 떨어지는 단점이 있다. 따라서 Xe 가스를 자외선 발광원으로 사용하는 무 수은 면 광원이 효율적인 광원이 되기 위해서는 진공 자외선 발광량 자체도 커야 하며 147nm의 공명선 보다 파장이 긴 173nm 부근의 연속선을 많이 방출해야 한다. 그러기 위해서는 Xe 가스 첨가량과 전체 압력을 증가시켜야 한다. 하지만 Xe 함량이 높아지게 되면 Xe의 높은 충돌 주파수로 전자가 중성 기체를 이온화 및 여기를 시키기 위한 충분한 에너지를 갖지 못하므로 구동 전압이 높아지면서 빈번한 수축 방전으로의 전이와 같은 방전이 불안정해지는 문제점이 발생한다. 우선, 불안정한 방전 특성을 개선하고자 무 수은 면 광원의 가장 큰 특징 중 하나인 보조 전극 도입을 통해 보다 낮은 구동 전압에서 방전을 발생시켜 수축 방전으로의 전이를 억제하고 전 방전 공간에 걸쳐 균일하고 안정적인 확산 방전을 얻을 수 있었다. 그 다음 무 수은 면 광원의 구동 전압과 발광 휘도 및 효율에 가장 직접적인 영향을 미치는 방전 가스 및 기본적인 구조 변수에 대한 방전 특성을 분석을 통하여 2kV 이하의 낮은 구동 전압에서 구동 가능한 넓은 전압 마진을 확보하였다. 이러한 연구 활동으로 단일 셀을 반복적 확장을 통하여 32inch 대면적 램프를 제작하였으며 하나의 인버터를 이용하여 각 셀의 휘도를 독립적으로 제어하는 selective dimming 기술을 도입할 수 있는 발판을 마련하였다. 마지막으로 높은 Xe 함량에서도 안정적인 방전을 얻고, 발광 휘도 및 효율 개선을 위해 무 수은 면 광원의 주 전극 구조에 관한 연구를 수행하였다. 주 전극 구조를 면 방전형 구조와 대향 방전형 구조의 조합 형태로 변경을 하여 방전 공간내의 전계 분포를 변화를 시켜 수축 방전으로의 전이 확률을 줄이면서 플라즈마의 효과적인 이용을 통해 수은을 사용한 형광램프와 유사한 수준의 발광 효율을 얻을 수 있었다.

In this paper, the electro-optic characteristics, including the operating margin, luminance and luminous efficacy of the mercury-free flat fluorescent lamp(MFFL) were investigated. To obtain highly efficient and stable discharge in MFFLs, the effects of the structural parameter variation, complex gas mixture ( He, Ne, Ar and Xe ) and electrode configuration on luminance and luminous efficacy were studied. Recently, CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) or LED (Light Emitting Diode) have been widely used to LCD(Liquid Crystal Display) backlight unit. Backlight unit system has been typically implemented by overlapping a plurality of linear light source such as CCFL or point sources such as LED and by using additional optical films, thereby changing non-uniform linear or spot luminous flux into a uniform surface backlighting. This complicated light-converting type backlighting system have disadvantage such as luminous efficiency decrease and manufacturing cost increase due to a lot of additional parts assembling process regardless of the material cost. Accordingly, many research groups have studied about simple flat light sources which can remove those demerits of the complicated optical-conversions. Between the candidate groups, Xe flat lamps using DBD(dielectric barrier discharge) seems most feasible. But, the use of Xe gas used to show the demerit of low excitation efficiency due to the shorter wavelength of UV than that of mercury and unstable discharge. The special feature of MFFLs is a rectangular-shaped auxiliary electrode, which does an important role to form the fully diffused glow discharge at low operating voltages. And in order to improve luminance and luminous efficacy and obtain stable discharge in MFFLs, the structural parameter and gas mixture were optimized. To obtain highly efficient and stable discharges in MFFL, the effects of main electrode structure on the electro-optical characteristics such as the operating voltage margin, luminance, and luminous efficacy were investigated. The spatio-temporal characteristic of the infrared emission from the conventional coplanar, counter, and combination discharges was also studied with an intensified charge-coupled device(ICCD) camera to see the differences with the electrode structure variation. The MFFL having the combination electrode structure with Ne-Xe30% gas mixture and the total pressure of 100Torr showed high luminance from 3,102 to 22,067 cd/m2 and high luminous efficacy from 49 to 93.5 lm/W for the warm white daylight with a color coordinate of (0.36, 0.36).