KR100354520B1 - 관외 전극 형광램프를 채용한 백라이트의 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관외 전극 형광램프를 채용한 백라이트의 구동 회로에 관한 것으로, 특히 대면적 백라이트의 휘도의 균일도와 고휘도 및 고효율을 실현하기 위한 구동 회로를 제공하기 위한 것이며, 다수의 외관 전극 형광램프들이 병렬 연결된 백라이트를 구동하기 위한 구동방법에 있어서, 상기 형광램프들의 관외 전극들을 동일한 전극연결선으로 연결하는 단계, 상기 전극연결선에 스위칭 인버터를 연결시키는 단계, 및 상기 스위칭 인버터가 구형파를 출력하는 단계를 포함하여 구성된다.

Description

관외 전극 형광램프를 채용한 백라이트의 구동 방법{Driving method for the backlight employing the external electrode fluorescent lamps}

본 발명은 관외 전극 형광램프를 채용한 백라이트의 구동 방법에 관한 것으로, 특히 대면적 백라이트의 휘도의 균일도와 고휘도 및 고효율을 실현하기 위한 구동 회로를 제공하기 위한 것이다.

액정 표시 패널은 그 자체적으로 발광하는 특성이 없기 때문에 액정 표시 패널의 화면에 나타나는 정보를 보기 위해서는 콜드 캐소드 형광 램프(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)라는 방전등과 이 램프를 구동하기 위한 인버터 모듈이 항상 액정 표시 패널과 붙어다니게 되어 있으며, 이러한 액정 표시 패널의 백라이트용 램프 구동에 대한 공지예로서 대한민국 특허공개 제1998-028921호에 잘 나타나 있다.

도 6는 상기 공지예에 의한 LCD 패널용 CCFL 드라이브 아이시와 주변회로를 나타낸 회로도로서, 복수개의 입/출력 핀을 구비한 램프구동 IC(100)와, 하프 브리지회로를 구비한 주전력회로부(120), 및 램프(140)를 포함한다.

한편, 상기 램프구동 IC(100)는, 입력전압단에 연결된 제 1 핀(1)과, 소정의 최소주파수단에 연결된 제 2 핀(2)과,소정의 최대주파수단에 연결된 제 3 핀(3)과, 접지전압단에 연결된 제 4 핀(4)과, 피드백전압단에 연결된 제 5 핀(5)과,소정의 비교단에 연결된 제 6 핀(6)과, 소정의 내부고전압단에 연결된 제 7 핀(7), 및 소정의 외부제어신호단에 연결되어 IC 회로의 온/오프가 결정되는 제 8 핀(8)으로 구성되어 있다.

또한, 주전력회로부(120)는 상기 램프구동 IC(100)의 소정 핀의 출력신호에 응답하고 복수의 수동소자로 이루어진 하프 브리지 회로로 구성되어 있고, 또한 램프(140)는 상기 주전력회로부(120)의 소정의 출력신호에 응답하여 구동되도록구성되어 있다.

상기 공지예와 같이 LCD 백라이트가 채용하고 있는 CCFL은 인버터에 의하여 전원이 공급된다. 이러한 인버터의 원리는 LC 공진에서 얻어지는 수십 kHz의 낮은 교류 전압을 승압 트랜스를 이용하여 CCFL의 방전 개시 및 유지에 필요한 고전압을 얻는 것이다. 이때 인버터 출력 파형은 sine파의 형태이다. 이러한 LC 공진형 인버터는 비교적 장치가 간단하고 효율이 높다는 장점이 있다. 그러나 이 장치의 문제점은 하나의 인버터가 하나의 냉음극 형광램프만 구동할 수 있다는 것이다. 따라서 CCFL을 채용한 도광판과 결합한 방식이나 직하형 방식의 백라이트들은 CCFL의 갯 수에 해당하는 인버터가 필요하다.

한편, 다수의 외관 전극 형광램프(External Electrode Fluorescent Lamp; EEFL)를 평면에 배치하여 제작된 백라이트는 EEFL을 상호 병렬 연결하여 하나의 인버터에 의하여 구동이 가능하다. 그 이유는 EEFL은 전극이 방전 공간에 노출되어 있지 않기 때문에 실 전류가 전극으로 흐르지 못하고 벽전하가 양쪽 전극 부분에 쌓이고, 램프 양단에 벽전하에 의한 역전압의 형성으로 방전이 중단되고, 이어서 다른 램프가 방전되고 마찬가지로 벽전하 형성후 또 다른 램프가 순차적으로 방전되어 하나의 인버터에 의하여 다수의 램프가 발광한다. 그러나 CCFL의 구동에 사용되는 sine파를 출력하는 인버터를 사용하면 하나의 주기에 고전압이 인가되는 시간이 제한되므로 병렬 연결된 EEFL을 구동할 수 있는 갯수가 제한되어 많은 수의 EEFL을 평면에 배치한 백라이트의 경우 불균일한 휘도를 초래하며 고휘도와 고효율의 달성이 불가능하다.

본 발명은 상기와 같이 외관 전극 형광램프를 평면에 배치하여 제작된 대면적 백라이트의 구동 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 대면적 백라이트의 휘도의 균일도와 고휘도 및 고효율을 실현하기 위한 구동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전원 공급장치에 의해 구동되는 백라이트를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 인버터와 게이트 인가 신호 파형을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방전 개시 전후의 스위칭 인버터 출력 파형의 변화를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구형파 구동에서의 자기 방전 현상을 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대면적 백라이트를 구동하기 위한 동위상 분할 구동을 도시한 것이다.

도 6은 종래의 LCD 패널용 CCFL 드라이브 아이시와 주변회로를 나타낸 회로도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 다수의 외관 전극 형광램프들이 병렬 연결된 백라이트를 구동하기 위한 구동방법에 있어서,

상기 형광램프들의 관외 전극들을 동일한 전극연결선으로 연결하는 단계, 상기 전극연결선에 스위칭 인버터를 연결시키는 단계, 및 상기 스위칭 인버터가 구형파를 출력하는 단계를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 스위칭 인버터는 4개의 FET(A, B, C, D)로 브리지회로를 구성하고, 상기 FET A와 C의 드레인에 DC를 인가하며 B와 D의 소스는 접지시키고 A의 소스와 B의 드레인, C의 소스와 D의 드레인을 각각 연결시키며 상기 FET A와 B의 연결점과 FET C와 D의 연결점 사이에 승압트랜스가 연결되며,

상기 스위칭 인버터에서 출력된 구형파는 오버슈팅을 포함하고,

상기 스위칭 인버터에서 출력된 구형파가 형광램프에 인가되었을 때 상기 형광램프에서 자기방전이 발생하는 것을 특징으로 구성된다.

또한, 다수의 외관 전극 형광램프들이 병렬 연결된 백라이트들을 구동하기위한 구동 방법은, 상기 다수의 형광램프들을 소정의 복수 영역들로 분할하는 단계, 상기 각 영역들의 형광램프들의 관외 전극들을 각각 동일한 전극연결선으로 연결하는 단계, 상기 영역들에 각각 연결된 전극연결선에 구형파를 출력시키는 스위칭 인버터를 각각 연결시키는 단계, 상기 각 스위칭 인버터들에 동일한 게이트 신호를 인가하는 단계, 및 상기 게이트 신호에 따라 상기 스위칭 인버터가 동위상의 구형파를 전극연결선에 공급하는 단계를 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인버터와 구동 방법 및 작용을 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 인버터는 스위칭 회로와 승압 트랜스의 결합으로서, 이 전원공급장치는 다수의 병렬 연결된 EEFL을 구동하는데 적합한 구형파가 출력되며, 주파수와 출력 파형 조건을 쉽게 조정할 수 있으며, 출력 파형에 오버슈팅 부분이 존재한다.

본 발명의 다른 실시예 따른 분할 구동 방식은 EEFL의 평면 배치에 의한 대면적의 백라이트나 전극을 유전층으로 도포하여 교류형 방전을 채용하는 대면적 평판램프에 적용되는 것으로서, 대면적을 몇 개의 영역으로 분할하고, 각 영역에 동위상의 파형으로 구동하여 구동장치의 크기를 줄이고 안정된 고속 구동이 가능하도록 창안되었다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전원 공급장치에 의해 구동되는 백라이트를 도시한 것으로서 전원공급장치를 적용할 백라이트의 일례를 도시한 개념도이다. 본 발명이 적용되는 백라이트의 일예는 EEFL들을 평면 배치하고 각 램프를 병렬 연결하여 구성한 백라이트이고, 기타 교류형 방전을 채용한 평판형광램프에도 적용된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 인버터와 게이트 인가 신호 파형을 도시한 것이다. 이 장치는 다수로 병렬 연결된 EEFL들을 효과적으로 구동하기 위하여 창안된 장치로서, 본 장치의 회로적 특징은 기존의 CCFL을 구동하는데 적용되는 LC 공진형 인버터와는 달리 스위치 역할을 하는 4개의 고속 FET와 승압 트랜스를 결합하여 고압의 구형파를 출력한다. 또한 출력 구형파의 주파수 및 전압유지 비율 등은 도 2에 표시된 각 FET 게이트 신호들을 조절함으로써 쉽게 조정된다. 본 발명의 스위칭 인버터의 작동 원리는 다음과 같다. 회로 상단에 설치된 FET와, A와 C의 드레인에 DC를 인가한 상태에서 도 2에 표시된 형태의 게이트신호를 각 FET에 인가한다. 그러면 각 FET는 시간에 따라 A와 D가 동시에 온 상태로 되었다가 오프 상태로 되고, 다시 C와 B가 같은 동작을 한다. 이 때, 좌우측의 FET 출력 단에 승압 트랜스가 연결되어 있으므로 전류는 각 FET가 온 상태로 되는 시간 동안에 승압 트랜스의 일차코일에 호환적으로 흐른다. 따라서 승압트랜스의 2차 코일에는 도 3과 같이 고압의 구형파 출력이 발생한다. 이 출력 파형의 특징은 sine파와는 달리 전압 상승시간이 빠르고 일정한 전압 유지 구간을 갖는다. 또한 코일의 특성상 급격히 전압이 변화하는 구간에서 과도적인 오버 슈팅(over shooting) 전압이 발생한다.

상기 인버터의 작용에 대한 구체적인 내용은 다음과 같다. 스위칭 인버터로부터 발생되는 구형파 형태의 출력 전압 파형은 그 특성상 기존의 LC 공진형 인버터와는 달리 하나의 스위칭 인버터만으로도 다수 병렬 연결된 EEFL들을 균일한 휘도로 안정되게 동작시킬 수 있다. 그 이유는 구형파가 sine파와는 달리 일정한 전압 유지 구간을 갖고 있다는 점이며, 이 구형파가 EEFL들에 동시에 인가되어 점등 될 때 각 EEFL 램프들이 인가 전압의 한 주기 내에서 순차적으로 켜진다 하더라도 인가된 전압이 sine파와는 달리 일정한 방전전압을 유지하고 있으므로 각 램프를 점등하는 정도가 균일하게 되어 일정한 발광 균일도(uniformity)를 유지하게 되는 것이다. 또 다른 이유는 시간에 따른 전압의 상승시간이 동일 주파수의 sine파에 비해 항상 짧다는 점이다. 초기에 인가된 전압에 의하여 일단 순차 점등 및 소등된 이후에는 관 내부에 공간 전하 및 여기된 분자들이 다수 남아있게 되는데, 이들 중 공간전하들은 최초 방전시 전극 주변에 형성된 벽전하와의 사이에 형성되고 있는 전기장에 의하여 서서히 벽전하와 재결합하게 된다. 이러한 공간 전하 및 여기 분자들의 움직임은 관에 걸리는 전기장의 세기와 시간적 변화에 의존되는데 sine파의 경우 전압 상승 기울기가 동일 주파수의 구형파에 비해 항상 느리므로 두 번째 방전 개시까지 상대적으로 오랜 시간 동안 전압이 인가되고, 이 시간동안 공간전하들은 인가되고 있는 전압에 의해 형성된 전기장에 의하여 최초 방전시 형성된 벽전하들과 결합하는 일종의 벽전하 소거 현상이 나타난다. 이로 인하여 벽전하의 양이 저하되고, 따라서 안정된 방전을 유지할 수 있는 전압 구간, 즉 유지전압 마진(margin)을 작게 하는 결과를 초래하며 방전의 세기 또한 작아져서 휘도와 효율이 저하된다. 그러나 본 발명에 따른 스위칭 인버터에서 출력되는 구형파는 전압 상승시간이 상대적으로 sine파보다 빨라서 공간 전하가 벽전하와 재결합하기 이전에 인가전압이 방전 개시전압을 초과하여 방전이 개시되도록 하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 지적한 벽전하 소거 현상이 미미해지므로 sine파에 비해 상대적으로 유지전압 마진이 커지게 되어 안정된 동작이 가능해 지는 것이다. 또한, 급격한 전압의 상승기울기 효과는 공간전하의 순간적인 빠른 이동을 가능하게 하여 이들과 중성 및 여기 분자들과의 유효 충돌이 많아지게 되고 이를 통한 이차전자 발생이 활발해져서 방전을 강하게 해주고 유지 전압마진을 크게 할 수 있도록 해주는 부수적인 효과도 준다.

도 3에 표시한 스위칭 인버터의 출력 파형의 상승 또는 하강 부분에 나타나는 오버 슈팅 전압은 방전개시를 쉽게 해주고 방전 개시 후 별도의 출력 전압 조절을 생략하게 할 수 있도록 해주는 효과가 있다. 이 오버 슈팅되는 전압의 크기는 출력트랜스 및 EEFL의 전기용량에 의존하는데 본 발명자의 실험결과 방전이 개시되기 전에는 약 20% ~ 30%정도의 값이며 방전이 시작되어 유지되는 동안에는 3% 미만으로 감소하게된다. 즉 오버 슈팅 전압 효과는 방전 개시 전에만 나타난다는 것이다. 이러한 특성을 갖는 이유는 EEFL이 방전개시 전 순수 용량성 부하(capacitive load)에서 방전개시 후 용량성 부하 및 저항성부하(resistive load)의 성질을 동시에 갖게 되어 저항 성분에 의한 진동 감쇠효과가 생기기 때문이다. 결국 오버 슈팅되는 전압 효과는 방전 개시 전에만 영향을 준다는 의미이며, 이것은 방전 개시를 쉽게 해주는 효과가 있다. 일반적으로 방전관이 AC형이거나 DC형이거나 방전개시전압이 방전유지전압보다 높으며, 만일 출력 파형에 오버 슈팅 전압이 있게 되면 그 부분만큼 방전개시를 위한 인가전압을 낮게 하여도 무방하다. 예를 들어, 어떤 방전관의 방전개시 전압이 1.3 kV이고, 여기에 인가될 전압 파형의 오버슈팅 부분이 30% 라면, 단지 1 kV의 평균 출력 전압만으로도 방전 개시가 가능하다. 특히, EEFL의 관 길이가 길수록 방전 개시 전압이 높아지는데 긴 관을 사용할 경우 오버슈팅이 있는 파형이 유리하다. 또 하나의 중요한 효과는 방전 개시 후 일반적으로 시행하는 전압 조절 과정을 생략할 수 있다. 실제로 오버슈팅이 없는 파형을 사용하는 경우에는 방전 개시에 필요한 전압을 인가하고 방전이 시작되면 방전관의 수명과 휘도 조정 등을 이유로 전압을 인위적으로 낮추는 방법을 채용한다. 스위칭 인버터는 오버 슈팅 전압의 존재로 인하여 방전 개시 전과 방전 개시 후의 최고 전압치가 약 20~30% 정도 차이가 나므로 방전 개시 후 자동으로 유지전압 수준으로 조정되어 별도의 전압 조정 장치를 부착할 필요가 없다.

그리고, 효율 및 휘도를 상승시키는 자기 방전(self discharge) 효과가 나타나는데, 자기방전이란 AC 방전관에서만 볼 수 있는 독특한 현상으로, 방전에 의해 형성된 벽전하에 의하여 유도된 벽전압의 세기가 방전 개시 전압 보다 클 경우 외부에서 인가되는 전압이 하강하여 영전위에 도달할 때, 벽전하들 상호간에 방전을 일으키는 현상을 말한다. 스위칭 인버터에서 발생되는 구형파와 이것이 EEFL에 인가되었을 때 발생하는 자기 방전현상을 도 4에 나타내었다. 자기 방전이 발생 할 경우 전압 파형 주기 당 방전 전류와 발광의 횟수는 미발생시에 비해 두 배이며, 그것의 강도는 자기 방전 미발생시 보다 다소 작다. 이는 자기 방전의 발생으로 인하여 벽전하가 일정부분 소거되기 때문이다. 이러한 자기 방전이 발생하면 효율과 휘도가 상승하는 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 대면적 백라이트의 분할 구동 방식이다. EEFL을 평면에 배치하여 구성된 작은 면적의 백라이트는 단일 스위칭 인버터로 구동이 가능하다. 그러나 면적이 대형화 될수록 소모되는 전력이 커지므로 인버터에 사용되는 승압 트랜스의 크기가 대형화되어 스위칭 인버터의 크기를 소형으로 제작하기가 어렵다. 또한 전압을 인가하는 라인의 길이가 길어지게 되면 신호 간섭, 임피던스 매칭 등의 문제가 발생하여 휘도 불균일의 원인이 된다. 이러한 경우에 도 5에서와 같이 전체 백라이트를 적당한 크기의 영역으로 분할하고 이 분할된 영역을 동 위상으로 일치된 전압 파형을 내는 스위칭 인버터로 구동하는 분할 구동 방식을 채용하여 이러한 문제를 해결한다. 여기서 각 스위칭 인버터의 출력 파형이 동위상이어야 하는 이유는 위상이 서로 다를 경우 분할 영역간 인접한 부분에서 누전 현상이 발생할 수 있기 때문이다. 각 스위칭 인버터의 출력 파형을 동위상으로 하는 방법은 각 영역에 스위칭 인버터의 고속 스위칭 역할을 하는 FET 부분과 승압 트랜스 부분만을 독립적으로 연결하되, FET의 게이트 신호들을 공유한다. 이 경우 게이트 신호 발생 회로를 공유하므로 여러 대의 스위칭 인버터를 사용하는 경우 보다 비용의 절감 효과가 있으며, 승압 트랜스의 크기를 줄일 수 있어서 소형화 제작이 가능하다.

이상의 설명에서와 같이 다수의 외관 전극 형광램프를 평면에 배치하여 구성된 백라이트에서 본 발명의 인버터와 동위상 분할 구동 방식을 채용함으로서 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 고속의 FET와 승압 트랜스를 결합한 본 발명에서의 스위칭 인버터는고압의 구형파를 출력하고 오버 슈팅 전압이 발생하므로 균일한 휘도를 갖는 고속 구동이 가능하고, 자체적으로 방전 개시 전압을 낮추는 작용과, 자기방전 작용이 있다. 이러한 작용으로 인하여 고휘도와 고효율의 효과가 있다.

둘째, 대화면의 백라이트에서 화면을 분할하여 구동하기 위하여 FET 소자의 게이트 신호는 공유하고 승압 트랜스 부분만을 공유하여 제작된 본 발명의 인버터는 분할된 화면에 각각 동위상의 전압을 인가하므로서 분할된 입접 영역간의 누전을 방지하여 안정된 방전에 의한 대면적 백라이트에서 균일한 휘도를 얻는다. 또한, 전압을 인가하는 전선의 길이를 줄일 수 있어서 신호의 간섭을 피할 수 있기 때문에 균일한 휘도를 구현하는데 효과적이다. 그리고 승압 트랜스의 크기를 작게 할 수 있고, 게이트 신호 발생기를 공유함으로서 인버터의 소형화 효과가 있다.

또한, 본 발명에서 스위칭 인버터의 작용은 i) 하나의 인버터로 다수의 병렬 연결된 EEFL을 균일한 휘도를 갖도록 고속 구동할 수 있으며, ii) 오버슈팅 전압의 존재로 인하여 방전 개시 전압을 낮출 수 있고, iii) 자기방전 작용이 있어서 휘도와 효율을 증대하는 효과가 있다. 본 발명자의 실험결과에 의하면 이러한 구동 방식을 채용하여 기존의 LC 공진형 인버터에 비하여 2 배 이상의 휘도와 효율이 향상된 결과를 얻었다.

Claims (6)

1. 다수의 외관 전극 형광램프들이 병렬 연결된 백라이트를 구동하기 위한 구동방법에 있어서,

   상기 형광램프들의 관외 전극들을 동일한 전극연결선으로 연결하는 단계;

   상기 전극연결선에 스위칭 인버터를 연결시키는 단계; 및

   상기 스위칭 인버터가 구형파를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관외 전극 형광램프를 채용한 백라이트의 구동방법.
2. 제 1항에 있어서 상기 스위칭 인버터는,

   4개의 FET(A, B, C, D)로 브리지회로를 구성하고, 상기 FET A와 C의 드레인에 DC를 인가하며 B와 D의 소스는 접지시키고 A의 소스와 B의 드레인, C의 소스와 D의 드레인을 각각 연결시키며 상기 FET A와 B의 연결점과 FET C와 D의 연결점 사이에 승압트랜스가 연결되는 것을 특징으로 하는 관외 전극 형광램프를 채용한 백라이트의 구동방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 스위칭 인버터에서 출력된 구형파는 오버슈팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 관외 전극 형광램프를 채용한 백라이트의 구동방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 스위칭 인버터에서 출력된 구형파가 형광램프에 인가되었을 때 상기 형광램프에서 자기방전이 발생하는 것을 특징으로 하는 관외 전극 형광램프를 채용한 백라이트의 구동방법.
5. 다수의 외관 전극 형광램프들이 병렬 연결된 백라이트들을 구동하기 위한 구동 방법에 있어서,

   상기 다수의 형광램프들을 소정의 복수 영역들로 분할하는 단계;

   상기 각 영역들의 형광램프들의 관외 전극들을 각각 동일한 전극연결선으로 연결하는 단계;

   상기 영역들에 각각 연결된 전극연결선에 구형파를 출력시키는 스위칭 인버터를 각각 연결시키는 단계;

   상기 각 스위칭 인버터들에 동일한 게이트 신호를 인가하는 단계; 및

   상기 게이트 신호에 따라 상기 스위칭 인버터가 동위상의 구형파를 전극연결선에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관외 전극 형광램프를 채용한 백라이트의 구동방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 스위칭 인버터는,

   4개의 FET(A, B, C, D)로 브리지회로를 구성하고, 상기 FET A와 C의 드레인에 DC를 인가하며 B와 D의 소스는 접지시키고 A의 소스와 B의 드레인, C의 소스와D의 드레인을 각각 연결시키며 상기 FET A와 B의 연결점과 FET C와 D의 연결점 사이에 승압트랜스가 연결되는 것을 특징으로 하는 관외 전극 형광램프를 채용한 백라이트의 구동방법.