KR100979495B1

KR100979495B1 - 고효율의 무수은 면광원 구조체 및 그 구동방법

Info

Publication number: KR100979495B1
Application number: KR1020080034537A
Authority: KR
Inventors: 황기웅; 정재철
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2010-09-02
Also published as: KR20090109205A

Abstract

면광원 구조체 및 그 구동방법이 개시된다. 본 발명에 따른 면광원 구조체는, 투광성 재질의 상판; 상기 상판과 소정 간격으로 이격되는 하판; 상기 상판 및 하판 사이를 이격시켜 소정의 방전 가스가 소정 압력으로 채워진 방전 공간을 형성하는 격벽 부재; 상기 방전 공간을 둘러싸는 상기 상판의 내벽 면 및 상기 하판의 내벽 면 중 적어도 일부의 영역에 도포된 형광체; 상기 방전 공간 내에 전계를 발생시켜 형성된 플라즈마에 의해 상기 형광체를 여기시킴으로써 가시 광을 방출하도록 상기 상판 또는 하판의 소정 위치에 패터닝되며, 정극성과 부극성의 펄스 파형이 교번적으로 인가되는 바이폴라형 구동전압이 각각 인가되는 한 쌍의 주 전극; 및 상기 상판으로부터 상기 방전 공간을 바라볼 때 상기 한 쌍의 주 전극 중 적어도 하나와 평행한 성분 및 상기 한 쌍의 주 전극을 가로지르는 성분을 갖도록 상기 하판 또는 상판에 패터닝된 보조 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

면광원, 플라즈마, 방전, 보조전극, 면방전, 형광체, 조명, 바이폴라형 구동전압

Description

고효율의 무수은 면광원 구조체 및 그 구동방법{High efficiency mercury free flat light source structure and driving method thereof}

본 발명은 무수은 면광원 구조체 및 그 구동방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고 제논함량을 포함하는 무수은 면광원 구조체에 있어서, 불안정한 수축 방전(Contracted discharge) 발생을 억제하고 고휘도, 고효율 특성을 얻을 수 있는 무수은 면광원 구조체 및 그 구동방법에 관한 것이다.

면광원은 LCD와 같은 수동형 발광 디스플레이 장치의 백라이트 유닛(BLU)이나 조명 기구 등에서 다양한 응용 가능성을 갖는다. 그러나 종래에는 충분한 휘도와 광 효율을 갖는 면광원을 적절히 구성하는 것이 어렵기 때문에, 형광등이나 LED 등의 선광원 및/또는 점광원을 여러 개 중첩시키고 확산판, 반사판 등의 부가 광학 장치를 활용하여 면광원으로 변환시킨 후 사용하는 경우가 많았다.

그런데, 이와 같이 변환된 면광원의 경우, 효율은 급격히 감소하며, 면광원으로 변환하기 위한 부대 부품들의 필요에 의해 제조비용이 증가된다. 또한, 상술한 바와 같은 변환된 면광원은 여러 개의 광원을 조립하여 만들어지기 때문에, 2차 원 공간에서 선택된 일정 영역의 부분 발광이나 휘도 조절을 수행하기가 어렵다. 따라서 단독으로 전면 발광이 가능하고 TV 영상 신호의 1개 프레임 레벨(일반적으로 16.67.ms) 등과 같은 짧은 시간이내에 휘도 조절 등의 능동적 동작이 가능하고 일정 영역의 부분 발광이 가능한 면광원 장치의 개발이 필요하다.

또한, 전면 발광이 가능한 형광등 등의 종래의 면광원들은 방전 가스로 주로 수은을 포함하는 가스를 사용하여 왔다. 이것은 수은의 방전특성이 우수하고, 안정적인 구동전압 마진을 제공하기 때문이다. 그러나 수은은 환경규제 물질로 조명 등에서 그 사용이 제한될 예정이며, 램프의 온도가 낮으면 구동이 어려워지고 효율이 떨어지는 등의 단점을 가지고 있다. 따라서 무수은의 방전 기체가 사용되는 면광원의 개발 또한 요구된다.

도 1은 무수은 방전 기체를 사용하는 종래 기술에 따른 면광원을 개략적으로 나타낸 도면이다. 종래 기술에 따른 면광원(100)은, 상판(10), 하판(20) 및 격벽(30)을 포함하여 이루어지고, 이들에 의하여 형성된 방전 공간에 인접한 한 쌍의 전극(X, Y)에 전압을 인가함으로써 방전 공간에 전계를 유기하고, 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마로부터 방출되는 자외선(UV)은 방전 공간 주변에 도포된 형광체(18, 24)를 활성화시켜 가시광선을 방출하도록 한다. 특히, 도시된 바와 같이 방전 공간 내부에 유전체 층으로 덮인 전극(X, Y)을 사용하는 경우를 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 방식의 방전기구(discharge mechanism)라고 하며, 통상 극성이 주기적으로 반전되도록 구형파의 전압신호를 양 전극(X, Y)에 인가하여 면광원(100)을 구동한다. 일반적으로 이러한 면광원(100)을 구동하기 위하여 사용되는 구동 파형을 도 2에 도시하였다.

상술한 바와 같은 면광원의 형성을 위해서는, 통상 유리, 실리카 등의 재질로 된 상판(10)과 하판(20) 사이에 격벽(30)을 형성하고, 내부에 방전 가스를 삽입한 다음, 상판(10) 및 하판(20)의 외곽부분을 외기로부터 밀봉시킨다. 전극(X, Y)의 말단은 적절한 방법으로 면광원(100)의 말단부에 돌출되도록 하여 외부의 구동 회로와 전기적 접속이 이루어질 수 있도록 한다.

상판(10)과 하판(20)의 결합 이전에, 적절한 위치에 형광층(18, 24)을 형성한다. 필요에 따라서 광이 한 쪽 면으로 방출될 수 있도록 반사막 층(22)을 형성하기도 한다. 방전 가스는 여기종이 진공 자외선을 방출하는 Xe이 포함된 가스를 사용하며, 필요에 따라, He, Ne, Ar, Kr 등의 불활성 가스를 더 포함하는 혼합 가스를 사용한다.

여기서, 방전이 시작되게 하는 인가 펄스의 전압(즉, 방전 개시 전압)은 전극간 거리와 압력에 의하여 주로 결정된다. 글로우 방전에 있어서 효율적인 양광주(positive column) 영역을 충분히 이용할 수 있을 정도로 면광원의 방전 갭(전극 사이거리)이 충분히 길다고 가정하면, 방전 개시 전압은 다음과 같이 가스의 압력과 조성에 의하여 주로 결정된다.

V_f = Bpd / {ln(pd) + ln( A / (ln(1/γ + 1))}

A, B : 가스의 종류에 따른 상수

pd : 방전 기체 압력 x 방전 갭(거리)

γ : 음극면 표면의 이온에 의한 2차전자 방출계수

도 3a 내지 도 3e는 종래 기술의 면광원에 있어서의 방전 상태의 시간에 따른 변화를 도시한다. 유전층으로 보호된 전극 사이에 적정한 전압이 인가되면 도 3a와 같이 부분적인 방전이 시작되고, 상기 전압이 충분한 시간 동안 인가되면, 도 3b에 도시된 바와 같이 두 전극 사이에는 가는 띠 형상의 초기 방전 경로(discharge path)가 형성된다. 초기 방전 경로가 형성된 이후 인가 전압이 증가되면 방전 경로가 전극사이 공간에서 수직 방향으로 확장되어진다(도 3c 참조). 확장되어진 방전 경로는 인접한 방전경로들과 합쳐지면서 방전 공간을 채워 균일한 전면방전을 형성하게 된다(도 3d 참조).

이러한 방전 과정은, (i) 전극 사이 전압인가로 방전 공간 내 전계 형성, (ⅱ) 전계에 따른 하전입자들의 가속 발생, (ⅲ) 타운젠트 방전 프로세스 진행, (ⅳ) 하전입자 밀도가 높은 영역에서부터 중성가스의 플라즈마화 진행, (v) 전계 방향에 따른 초기 방전경로 형성, (ⅵ) 플라즈마 내부 하전입자의 반대 극성 전극 쪽으로의 가속, (ⅶ) 구동 전압 신호의 1 주기 종료 후 각 하전 입자는 전극 표면 위에 누적되어 벽전위(wall potential) 형성, (ⅷ) 벽전위로 인한 벽전압(wall voltage) 형성, (ⅸ) 이어지는 극성이 반전된 펄스에 의하여 반대편 전극에 전압이 인가, (x) 벽전압과 합쳐진 인가전압에 의하여 고 전계 형성의 단계들로 이루어지는 것으로 이해될 수 있다. 계속적인 인가전압의 극성 반전에 의하여 안정 상태의 전면 방전이 이어지게 된다.

그러나 도 3e에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 면광원은, 방전 수축 (Filamentation, Contracted state of glow discharge, Contraction)이 일어나기 쉽다는 문제점이 있었다. 즉, 예를 들어 인가 전력이 급격히 증가하거나, 방전기체 조건이 적절하지 않을 경우나, 방전 용기 자체의 구조에 의해 유도되는 불균일성 등에 의하여 도시된 바와 같이 국부적으로 방전이 집중되며, 급격한 방전 전류의 증가를 발생시킨다. 이러한 현상이 발생하면, 방전이 집약된 중심부의 휘도는 급격히 증가하나, 전면에 걸친 균일한 광을 얻을 수 없다. 이 상태에서 인가전압을 증가시키면, 방전 영역의 폭은 미세하게 증가하나 급격한 방전 전류의 증가를 수반한다. 결국 이는 방전 모드의 변경으로 볼 수 있으며, 이러한 방전의 국부적인 집중은 플라즈마 불안정(Plasma instability) 현상에 의하여 발생되는 것으로 해석된다. 그 원인은 다양하나, 일반적으로 방전 공간상의 불균일한 하전입자 분포와 방전 공간의 국부적인 가열(Thermal instability in local area)을 그 주된 원인으로 볼 수 있다.

이러한 방전 집중 현상은, (i) 전자 밀도의 국부적인 증가, (ⅱ) 전자 밀도가 증가한 부분에서 국부 저항가열 증가, (ⅲ) 저항가열이 증가된 부분의 국부 기체 온도 상승, (ⅳ) 국부 기체 온도 상승 영역에서의 입자 열운동 증가에 의한 중성 입자 수 감소, (v) 해당 영역에서의 E/N(단위 입자 당 전계) 강화에 의한 전자 가속의 증가 및 전자 온도의 상승, (ⅵ) 전자 온도 상승에 의해 유도되는 전자 밀도 증가의 과정에 의해 진행되는 것으로 이해될 수 있다.

이러한 과정의 반복은 결국, 특정 영역의 전기력선을 중심으로 방전이 강하게 집중되는 결과를 가져오게 되고, 방전 수축에 의해 방전 모드가 변경되면, 전류 가 급격히 증가하고 방전이 수축된 상태로 유지되어 균일한 전면 방전을 유도 할 수 없게 된다. 현재까지의 연구 결과에 의하면, 방전의 집중에 영향을 미치는 주요 인자는, 방전 개시 전압의 크기, 방전 기체의 조성 및 분압, 인가되는 구동 펄스의 주파수 및 듀티 비, 방전 공간의 단면 형상과 같은 구조적 변수 등이다.

또한, 상술한 종래의 면광원에 대해서는, 방전 수축을 피하여, 방전을 패널 전면에 안정적으로 형성시킬 수 있는 아주 작은 범위의 특정 동작 마진 또는 동작 영역이 존재하나, 반복 재현이 힘들다는 문제점이 존재한다. 즉, 전압의 관점에서는 방전 개시 전압보다 크고, 방전 수축 전압 보다는 낮은 전압 범위에서 동작시켜야 하며(V_firing < 정상구동전압(Vs) < V_contraction), 방전기체의 조성에 있어서도 특정 기체(예를 들어, Xe의 함량)의 함량을 결정함에 있어 허용되는 소정의 범위가 존재하며, 방전 가스 압력, 인가전류, 인가전압의 주파수 및 듀티 비(T_{on min} < 동작 pulse 폭 < T_{on contraction})에 있어서도 안정적인 동작이 가능한 소정의 범위가 존재하는데, 여러 변수가 특정 조건에서 일치될 경우에만 전면방전이 형성된다. 따라서 보다 안정적이고 효율적인 면광원을 얻기 위해서는 이러한 동작 범위를 더욱 넓힐 필요가 있다. 여기서, 정상구동전압 (Vs)라 함은 소정의 상기 방전 가스 압력, 주파수 및 듀티 비를 인가하고 상기 방전 개시 전압 (Vfiring)이상의 전압 범위에서 안정적인 전면방전(Fully diffused glow discharge)을 유도 혹은 형성하는 전압 범위를 말한다.

또한, 종래 기술의 면광원 구조체에서 상기 구동 파형(도 2 참조)을 인가하 는 구동 방식에 있어서 높은 Xe 함량(Xe 절대량 10Torr)의 가스 조건에서는 정상 구동 전압의 크기가 매우 높고, 정상 구동 전압의 범위가 매우 좁아질 뿐만 아니라, 상기 수축방전의 발생확률이 매우 높아지는 단점이 있다. 이는 Xe 함량(Xe 절대량 10Torr)이 높아질수록 상기 면광원 구조체내 방전발생과 더불어 전자 밀도의 국부적인 증가에 따른 방전 공간내 전자 밀도의 불균일이 커지기 때문이다.

또한, 실제 종래의 면광원 구조체에서 상기 종래의 구동 파형을 인가하는 구동 방식에 있어서 Xe 절대량 10Torr이상의 가스 조건에서는 방전 개시와 동시에 수축 방전 형태로 전이하여 정상 구동 전압 마진이 거의 존재하지 않는다. 여기서 Xe 절대량 10Torr이상이라 함은 면광원 구조체에 봉입된 가스의 조성 및 압력에 있어서 상기 면광원 구조체에 봉입된 Xe 가스의 분압을 의미한다.

또한, 종래 기술의 면광원은 도 1에 도시된 바와 같이, 하판(20) 및 상판(10)의 표면에 형광체 층(18, 24)이 각각 형성되어 있다. 방전 공간에 형성되는 플라즈마로부터 방출되는 진공 자외선은 전 방향에 걸쳐 방사되므로, 상판(10) 내면에도 형광체 층(18)을 형성함으로써 진공자외선의 이용 효율을 극대화할 수가 있다. 그러나 높은 휘도 및 효율을 얻기 위해서는 상판(10)은 스스로 가시 광을 발생시켜야 할 뿐 아니라, 하판(24) 상면의 형광체 층(24)으로부터 발생된 가시 광을 최대한 투과시켜야한다. 그러므로 휘도와 효율을 고려하여 형광체 층의 두께 및 구조를 최적화하는 것이 필요하게 된다.

또한, 도 1에 도시된 종래 기술의 면광원(100)에서는 플라즈마에 인접하도록 하판(20)의 상면에 전체적으로 도포되는 형광체 층(24)이 열적 기계적 스트레스에 매우 취약하고, 박리되기 쉽다는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 안정된 방전을 유도함으로써 보다 효율을 향상시킨 면광원 구조체 및 그 구동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 넓은 구동 마진 및 동작 조건을 확보하는 것이 가능한 면광원 구조체 및 그 구동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가서, 본 발명은 형광체 층의 구조를 최적화하여 보다 높은 휘도 및 효율을 얻을 수 있는 면광원 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 형광체 층이 도포되는 하판의 표면 구조를 개선하여 형광체 층이 열 및 기계적 스트레스에 보다 강하고, 잘 박리되지 않도록 한 면광원 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 면광원 구조체의 제1 실시예는, 투광성 재질의 상판; 상기 상판과 소정 간격으로 이격되는 하판; 상기 상판 및 하판 사이를 이격시켜 소정의 방전 가스가 소정 압력으로 채워진 방전 공간을 형성하는 격벽 부재; 상기 방전 공간을 둘러싸는 상기 상판의 내벽 면 및 상기 하판의 내벽 면 중 적어도 일부의 영역에 도포된 형광체; 상기 방전 공간 내에 전계를 발생시켜 형성된 플라즈마에 의해 상기 형광체를 여기시킴으로써 가시 광을 방출하도록 상기 상판 또는 하판의 소정 위치에 패터닝되며, ± Va와

Vb의 정극성과 부극성의 펄스 파형이 교번적으로 인가되는 바이폴라형 구동전압이 각각 인가되는 한 쌍의 주 전극; 및 상기 상판으로부터 상기 방전 공간을 바라볼 때 상기 한 쌍의 주 전극 중 적어도 하나와 평행한 성분 및 상기 한 쌍의 주 전극을 가로지르는 성분을 갖도록 상기 하판 또는 상판에 패터닝된 보조 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기의 면광원 구조체는 상기 한 쌍의 주 전극에 인가되는 바이폴라형 구동전압의 위상차를 조절하여 EMI(Electromagnetic Interference)를 저감시킨다.

또한, 상기의 면광원 구조체는 상기 방전 공간상에 노출된 영역의 적어도 일부를 플라즈마로부터 보호하고, 높은 2차 전자 방출계수를 갖추어 방전을 효율적으로 일으키도록 하는 MgO CaO, SrO, CaSrO, MgSrO 중 적어도 하나를 포함하는 복합물 재질의 보호막을 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 바이폴라형 구동전압은 변압기(transformer)를 이용한 회로구성에 의해 구현될 수 있다.

또는, 상기 바이폴라형 구동전압은 파워 모스펫(power MOSFET) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용한 회로구성에 의해 구현될 수도 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 면광원 구조체의 구동방법은, 상기 한 쌍의 주 전극을 구성하는 제1 전극 또는 제2 전극과 상기 보조 전극 사이에 프라이밍 방전을 발생시키는 단계; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 주 방전을 발생시키는 단계를 포함하며, 상기 제1 전극 또는 제2 전극에는 ± Va와

Vb의 정극성과 부극성의 펄스 파형이 교번적으로 인가되는 바이폴라형 구동전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 면광원 구조체의 제2 실시예는, 투광성 재질의 상판; 상기 상판과 소정 간격으로 이격되는 하판; 상기 상판 및 하판 사이를 이격시켜 소정의 방전 가스가 소정 압력으로 채워진 방전 공간을 형성하는 격벽 부재; 상기 방전 공간을 둘러싸는 상기 상판의 내벽 면 및 상기 하판의 내벽 면 중 적어도 일부의 영역에 도포된 형광체; 및 상기 방전 공간 내에 전계를 발생시켜 형성된 플라즈마에 의해 상기 형광체를 여기시킴으로써 가시 광을 방출하도록 상기 상판 또는 하판의 소정 위치에 패터닝되며, ± Va와

Vb의 정극성과 부극성의 펄스 파형이 교번적으로 인가되는 바이폴라형 구동전압이 인가되는 한 쌍의 주 전극을 포함하며, 여기서, 상기 형광체는 상기 상판의 내벽 면상에서 위치에 따라 불균일하게 도포된 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 면광원 구조체의 제3 실시예는, 투광성 재질의 상판; 상기 상판과 소정 간격으로 이격되는 하판; 상기 상판 및 하판 사이를 이격시켜 소정의 방전 가스가 소정 압력으로 채워진 방전 공간을 형성하는 격벽 부재; 상기 방전 공간을 둘러싸는 상기 상판의 내벽 면 및 상기 하판의 내벽 면 중 적어도 일부의 영역에 도포된 형광체; 및 상기 방전 공간 내에 전계를 발생시켜 형성된 플라즈마에 의해 상기 형광체를 여기시킴으로써 가시 광을 방출하도록 상기 상판 또는 하판의 소정 위치에 패터닝되며, ± Va와

Vb의 정극성과 부극성의 펄스 파형이 교번적으로 인가되는 바이폴라형 구동전압이 인가되는 한 쌍의 주 전극을 포함하며, 여기서, 상기 하판의 내벽 면상에는 상기 격벽 부재보다 낮은 높이의 복수 개의 미세 격벽들이 형성되고, 그 상부에 형광체가 도포된 것을 특징으로 한다.

한편, 상기의 면광원 구조체 및 그 구동방법은, 투광성 재질의 상판, 상기 상판과 소정 간격으로 이격되는 하판, 상기 상판 및 하판 사이를 이격시켜 소정의 방전 가스가 소정 압력으로 채워진 방전 공간을 형성하는 격벽 부재, 상기 방전 공간을 둘러싸는 상기 상판의 내벽 면 및 상기 하판의 내벽 면 중 적어도 일부의 영역에 도포된 형광체, 그리고 상기 방전 공간 내에 전계를 발생시켜 형성된 플라즈마에 의해 상기 형광체를 여기시킴으로써 가시 광을 방출하도록 상기 상판 또는 하판의 소정 위치에 패터닝되며, ± Va와

Vb의 정극성과 부극성의 펄스 파형이 교번적으로 인가되는 바이폴라형 구동전압이 인가되는 한 쌍의 주 전극을 갖는 면광원 구조체; 및 상기 한 쌍의 주 전극을 구성하는 제1 전극 또는 제2 전극과 상기 보조 전극 사이에 프라이밍 방전을 발생시키고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 주 방전을 발생시키는 구동 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 면광원 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 모노폴라형 구동 펄스를 인가하는 방식에서 바이폴라형 구동 펄스를 인가하는 방식을 사용하여 종래의 Vs의 펄스를 인가하는 대신에 두 주 전극에 각각 양의 극성(Positive)과 음의 극성(Negative)을 교번하여 인가하되 서로 동위상에서 인가되는 전압 차이가 Vs (안정적인 전면 방전 전압 Vs = Va + Vb가 되도록)전압이 되도록 인가함으로써, 한 주 전극에 인가되는 전압에 의한 회로적 내압을 낮추어 전압 스트레스를 줄일 수 있다.

또한, 한 쌍의 주 전극에 인가되는 각각의 구동전압의 위상차를 조절하여 회로적으로 EMI를 저감시킬 수 있게 된다.

또한, 주 전극에 인가되는 정극성 및 부극성의 펄스 크기를 조절하여 회로구현의 자유도를 개선할 수 있게 되며, 방전 발생 시점을 제어할 수 있게 된다.

또한, 주 전극에 인가되는 전압 펄스의 위상차 및 인가 펄스의 듀티 차이를 이용함으로써, 높은 Xe 함량(Xe 절대량 10Torr이상)의 가스조건에서 안정적인 전면방전을 발생시킬수 있으며, 고휘도 및 고효율을 얻을 수 있다.

따라서 본 발명에 의하여 무수은 면광원 장치의 실용화를 앞당길 수 있게 되며, 디스플레이 장치의 백라이트 유닛 및 조명 등의 분야에 있어 폭넓은 활용을 기대할 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명 한다.

도 4는 본 발명의 면광원 구조체의 실시예를 설명하기 위한 개략도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예의 면광원 구조체(200)는, 하판(20)의 하면 상에 균일한 전면 방전을 얻기 위한 보조 전극(I)을 구비한다. 보조 전극(I)은, 상판(10)의 하면에 형성된 주 전극(X, Y)에 평행한 성분과 함께, 상기 주 전극(X, Y)에 수직하고 주 전극을 구성하는 제1 전극(X)과 제2 전극(Y) 사이를 가로지르는 성분을 갖는 것을 특징으로 한다. 보조 전극(I)은 하판(20)상에 소정 패턴으로 형성될 수 있으며, 혹은 별도의 기판(예 PCB)상에 형성해서 상기 하판(20)에 가깝게 밀착시키는 방법으로 형성할 수 있다. 또한 보조 전극(I)과 주 전극 사이의 거리(d_iy)는 양 주 전극(X, Y) 사이의 거리(d_XY)에 비하여 가깝다.

또한, 본 발명의 면광원 구조체에서는, 내부의 방전 공간에 형성되는 플라즈마에 의하여 내벽의 형광체, 노출된 유리 기판 표면, 전극 표면이나, 전극을 덮고 있는 유전체 층 표면이 손상되는 것을 방지하기 위하여 산화마그네슘(MgO) 등의 재질로 된 보호막을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 보호막은 상판(10) 및/또는 하판(20)의 방전 공간에 인접할 면에 전면 코팅될 수도 있으며, 필요에 따라서 국부적으로 코팅하여 형성할 수도 있다. 이러한 보호막의 형성에 의하여 면광원 구조체의 수명을 연장시킬 수 있으며, 2차 전자의 방출을 촉진시켜 방전의 안정화에도 기여할 수 있게 된다.

또한 상기 보호막 형성은 산화마그네슘(MgO)를 비롯한 CaO, SrO, CaSrO, MgSrO 중 적어도 하나를 포함하는 복합물 등이 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 면광원 구조체(200)의 평면상 구조를 예시한다. 구조체 외곽에서 소정의 밀봉 부재에 의해 방전 공간이 밀봉되고, 상판(10)에는 상하방향으로 서로 평행한 직선 형상의 주 전극 패턴(X, Y)이 형성되어 있다. 그에 대향하는 하판(20)에는 전체적으로 사각형 형상의 보조 전극(I)이 패터닝되어 있다. 보조 전극(I) 패턴은 방전 공간을 둘러싸도록 되어 있고, 특히, 두 개의 주 전극 패턴(X, Y)과 나란한 성분(P) 및 상기 주 전극 패턴에 수직하고 그 사이를 가로지르는 성분(C)인 상변 및 하변 부분을 갖는다. 이러한 구조의 보조 전극을 부가함으로써, 주 전극에 인가되는 전압과 의해 보조 전극(I)에 인가 혹은 유기되는 전압사이의 전압차에 의해 초기 프라이밍 방전을 유도하게 되고, 이후 방전공간내 발생 및 유지되는 다수의 프라이밍 방전에 의해 주 전극간 주 방전이 형성가능하게 되며, 이후 보조전극(I) 패턴을 통하여 면광원 전체에 걸쳐 균일하고 안정적인 전면 방전을 낮은 구동 전압에서 유지하는 것이 가능한 것이 본 발명자에 의해 관측되었다.

도 6은 본 발명의 면광원 구조체를 구동하기 위하여 사용되는 전압 파형의 한 실시예를 도시한다. 이하에서는 도시된 전압 파형의 작동을 설명한다. 보조 전극(I)과 제2 전극(Y) 사이에는 구동 파형을 이루는 구형파 펄스에 의하여 보조 전극과 인접한 주 전극간 전위차가 상기 보조전극과 주 전극간 방전 개시 전압 보다 높아질 때 프라이밍 방전이 형성하게 된다. 따라서 보조 전극의 형태 뿐 아니라 구 동 전압 파형은 초기 프라이밍 방전 및 전면 방전으로의 유도에 있어 매우 중요한 역할을 한다. 그러나 종래의 구동 방식(도2 참조)의 경우 주 전극의 하나에 구동 펄스가 인가될 때, 다른 주 전극은 접지 상태에 있게 된다. 이때 보조 전극에 유기되는 전압 상태는 도 7a와 같게 된다. 반면, 본 발명의 구동 방식의 경우 두 전극에 서로 다른 극성의 펄스가 인가됨에 따라, 보조 전극에 유기되는 전압은 도 7b에 도시된 바와 같이 서로 대칭 적인 전위상태인 중간 전위를 가지게 되고, 주 전극과 보조 전극간 개시전압과 유사한 주 전압을 인가한 상태에서 초기 프라이밍 방전이 일어남을 알 수 있다.

또한 종래의 구동 방식에서는 보조 전극과 주 전극간의 방전 개시에 필요한 인가전압과 주 전극간 방전 개시에 필요한 인가 전압과의 차이가 커서 초기 프라이밍 방전의 발생이 주 전극간의 방전으로 유도하는 과정에서 국부적으로 수축된 방전(Contracted discharge)의 발생이 빈번하였으나, 본 발명에서의 바이폴라 구동 방식의 경우에서는 도 7c에 도시한 바와 같이, 주 전극간 방전 개시에 필요한 인가 전압과 주 전극과 보조 전극간 방전 개시에 필요한 인가전압간의 차이를 크게 줄여 줌으로서 초기 프라이밍 방전이 안정적으로 전면 방전으로 유도하게 된다.

또한, 주 전극(X, Y)에 ± Va와

Vb의 정극성 및 부극성으로 교번하는 바이폴라형 구동전압을 인가함으로써, 종래의 Vs의 모노폴라형 구성전압에 비하여 전압 스트레스를 줄일 수 있게 된다. 또한, 한 쌍의 주 전극(X, Y)에 인가되는 바이폴라형 구동전압 펄스의 위상차 및 듀티 조절을 통하여 변위전류의 발생을 시간적으로 분리할 수 있으며, 회로적으로 발생되는 EMI 노이즈를 저감시킬 수 있게 되고, 고 Xe 함량을 가지는 면광원 구조체에서 고휘도 및 고효율 특성을 얻을 수 있게 된다.

도 6에 예시된 전압 파형 이외에도 다양한 변형이 가능하며, 본 발명의 면광원 구조체를 구동하기 위하여 사용되는 전압 파형의 다른 실시 예들을 도 8에 도시하였다.

도 6 및 도 8a에서와 같이, 주 전극(X, Y)에는 서로 반대 극성의 펄스파형을 인가하되, 주 전극(X, Y) 중 하나에 인가되는 파형을 반주기마다 교번하는 사인파 또는 직사각형 펄스형으로 교체된 구동전압이 인가될 수 있다.

또는, 도 8b에 도시된 바와 같이, 국부방전이 발생하는 개시전압 이하의 교번되는 사인형 전압 바이어스가 인가되고, 꼭지점 부분에서 펄스폭 수십ns~수㎲를 가지는 펄스 전압이 다른 주 전극에 인가되면서 전면 방전이 발생하게 된다. 마찬가지로, 도 8c의 경우, 교번하는 바이폴라 펄스형 바이어스 전압이 한 전극에 인가되며, 동시에 다른 하나의 전극에 세폭 펄스가 인가될 수도 있다. 도 8b 및 도 8c에 도시된 파형에 있어서, 예를 들어 주 전극과 보조 전극간 방전 개시 전압이 1.1kV라고 하고, 주 전극 간 방전 개시 전압이 1.4kV라고 할 때, X 전극에는 진폭±1kV(GND 대비)가 인가되어도 주 전극과 보조 전극간 국부 방전이 형성되지 않으며, 이때 Y 전극에 400V 이상의 세폭 펄스가 인가되면서 전면 방전으로 이어지게 된다. 이러한 방법은 회로적으로 발생하는 EMI를 저감하는 효과가 있을 뿐만 아니라, 세폭펄스(수십ns~수㎲)를 효과적으로 인가할 수 있어 고 Xe(Xe 절대함량 10Torr이상)에서도 수축된 방전과 같은 불안정한 방전 발생없이 안정적이고 넓은 마진의 전면방전을 확보할 수 있게 된다.

도 9는 변압기를 이용하여 주 전극(X, Y)에 바이폴라 펄스형 전압을 인가하는 경우의 회로 구성의 예를 나타낸 도면이다. 간략히 설명하기 위하여 X 및 X′위치의 펄스의 크기와 변압기 승압비(turn ratio)가 같다고 가정하면, X 펄스와 X'펄스가 기존과 같이 180도 위상차를 가지고 포지티브 펄스를 발생시킨다고 할 때, 한번은 X 펄스에 의해 Y 전위는 +Vs, Y'전위는 -Vs를 발생시키게 되고, 다음 X'펄스에 의해 Y전위는 -Vs, Y'전위는 +Vs를 발생하게 된다. 따라서 방전 패널 양단의 전압은 2Vs가 교번되어 인가되므로, 종전 Vs 전압을 위해서는 1/2만큼 낮은 X, X'펄스가 필요하다. 즉, 종래보다 1/2만큼 낮은 구동전압이 필요하게 된다.

또한, 상기 변압기의 승압비(turn ratio) 혹은 DC전원단의 전압의 조정을 통하여 상기 두 주 전극 각각에 ㅁ Va와 ??Vb의 전압을 인가하는 것에 더하여, 두 주 전극 각각에 ㅁ Va(두 주전극에 인가되는 전압 크기가 동일한 상태)의 전압을 교번하여 인가하는 방법, 및 두 주 전극중 하나에 +Va와 -Vb의 전압을 교번하여 인가하고 동시에 다른 주 전극 하나에 -Vb와 +Va의 전압을 교번하여 인가하는 방법, 및 그 반대의 경우로서 두 주 전극중 하나에 -Va와 +Vb의 전압을 교번하여 인가하고 동시에 다른 주 전극 하나에 +Vb와 -Va의 전압을 교번하여 인가하는 방법 등 정상 방전 전압(Vs) 범위 내에서 다양한 전압 크기를 가지는 바이폴라 구동 파형이 인가 될 수 있다.

또한, 구동 드라이버단의 조정 혹은 폐회로상의 임피던스 조정을 통한 Y, Y'단의 라이징 타임을 조절할 수 있는데, 이를 통한 패널 충전 시간을 시간적으로 분 리할 수 있다. 따라서 두 전극에 인가되는 전압 위상차를 조절하여 회로적으로 EMI를 저감시킬 수 있다.

또한, X 및 X′위치의 펄스의 크기와 변압기 승압비(turn ratio)를 조정함으로서 상기 도 6 및 도 8에서 설명한 다양한 구동 파형을 구현할 수 있다.

도 10은 파워 모스펫(power MOSFET) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용하여 주 전극(X, Y)에 바이폴라 펄스형 구동전압을 인가하는 경우의 회로 구성의 예를 나타낸 도면이다. 이 경우, -Vs 전원을 이용하여 1단에서 -Vs 펄스를 발생시키고 동시에 D-C 커플을 이용하여 커패시터 C에 충전된 Vs를 2단에서의 스위칭을 통해 +Vs를 발생시키는 형태이다. 이 경우에도 스위칭 시간을 조절함으로써 slew rate를 조절할 수 있어 역시 EMI 저감의 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 면광원 구조체 및 그 구동 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 바람직한 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적이 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

도 1은 종래 기술의 면광원 구조체를 개략적으로 나타낸다.

도 2는 종래 기술의 면광원 구조체의 구동 방법을 설명하기 위한 개략도이다.

도 3은 면광원 구조체에서 발생하는 방전 수축 현상을 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명의 면광원 구조체의 실시예를 설명하기 위한 개략도이다.

도 5는 본 발명의 면광원 구조체의 평면상 구조를 예시한다.

도 6은 본 발명의 면광원 구조체를 구동하기 위하여 사용되는 전압 파형의 한 실시예를 나타낸 도면이다.

도 7은 주 전극에 구동파형이 인가될 때 보조 전극에 유기되는 전압의 상태를 나타낸 것으로서 도 7a는 종래 기술에 대한 것이며, 도 7b는 본 발명에 따라 주 전극에 바이폴라형 구동파형이 인가되는 경우를 나타낸 것이고, 도 7c는 바이폴라 구동파형 인가시 보조 전극이 연결된 상태에서의 보조전극에 유기되는 전압의 분포를 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명의 면광원 구조체를 구동하기 위하여 사용되는 전압 파형의 다른 실시예들을 나타낸 도면이다.

도 9는 변압기를 이용하여 주 전극에 바이폴라 펄스형 구동전압을 인가하는 경우의 회로 구성의 예를 나타낸 도면이다.

도 10은 파워 모스펫 또는 IGBT를 이용하여 주 전극에 바이폴라 펄스형 구동전압을 인가하는 경우의 회로 구성의 예를 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 상판 20 : 하판

30 : 격벽 X, Y : 주 전극

I : 보조 전극 5 : 가시광

16 : 유전체 층 118 : 상판 형광체

22 : 반사막 층 24 : 하판 형광체 층

Claims

투광성 재질의 상판;

상기 상판과 소정 간격으로 이격되는 하판;

상기 상판 및 하판 사이를 이격시켜 소정의 방전 가스가 소정 압력으로 채워진 방전 공간을 형성하는 격벽 부재;

상기 방전 공간을 둘러싸는 상기 상판의 내벽 면 및 상기 하판의 내벽 면 중 적어도 일부의 영역에 도포된 형광체;

상기 방전 공간 내에 전계를 발생시켜 형성된 플라즈마에 의해 상기 형광체를 여기시킴으로써 가시 광을 방출하도록 상기 상판 또는 하판의 소정 위치에 패터닝되며, 정극성과 부극성의 펄스 파형이 교번적으로 인가되는 바이폴라형 구동전압이 각각 인가되는 한 쌍의 주 전극; 및

상기 상판으로부터 상기 방전 공간을 바라볼 때 상기 한 쌍의 주 전극 중 적어도 하나와 평행한 성분 및 상기 한 쌍의 주 전극을 가로지르는 성분을 갖도록 상기 하판 또는 상판에 패터닝된 보조 전극을 포함하며,

상기 한 쌍의 주 전극을 구성하는 제1 전극과 제2 전극에 인가되는 펄스 파형 중 상기 제1 전극에 인가되는 펄스 파형의 폭이 상기 제2 전극에 인가되는 펄스 파형의 폭보다 크고, 상기 두 펄스 파형이 비동기되게 인가되는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체.
제 1항에 있어서,

상기 한 쌍의 주 전극에 인가되는 바이폴라형 구동전압의 위상차를 조절하여 EMI(Electromagnetic Interference)를 저감시키는 것을 특징으로 하는 면광원 구조 체.
제 1항에 있어서,

상기 한 쌍의 주 전극에는 서로 반대 극성의 펄스파형을 인가하되, 주 전극 중 하나에 인가되는 파형을 반주기마다 교번하는 사인파 또는 직사각 펄스형으로 구현하는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체.
제 1항에 있어서,

상기 한 쌍의 주 전극 중 하나에는 국부방전이 발생하는 개시전압 이하의 교번되는 사인형 전압 바이어스가 인가되고, 꼭지점 부분에서 펄스폭 수십ns 내지 수㎲를 가지는 펄스 전압이 다른 주 전극에 인가되는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체.
제 1항에 있어서,

상기 한 쌍의 주 전극 중 하나에는 교번하는 바이폴라 펄스형 바이어스 전압이 인가되고, 동시에 다른 하나의 전극에 세폭 펄스가 인가되는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체.
제 1항에 있어서,

상기 방전 공간상에 노출된 영역의 적어도 일부를 플라즈마로부터 보호하고, 방전을 효율적으로 일으키도록 하는 MgO, CaO, SrO, CaSrO, MgSrO 중 적어도 하나를 포함하는 복합물 재질의 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체.
제 1항에 있어서,

상기 바이폴라형 구동전압은 변압기(transformer)를 이용한 회로구성에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체.
제 1항에 있어서,

상기 바이폴라형 구동전압은 파워 모스펫(power MOSFET) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용한 회로구성에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체.
제1항의 면광원 구조체를 구동하기 위한 방법에 있어서,

상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극과 상기 보조 전극 사이에 프라이밍 방전을 발생시키는 단계; 및

상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 주 방전을 발생시키는 단계를 포함하며,

상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에는 ± Va와
Vb의 정극성과 부극성의 펄스 파형이 교번적으로 인가되는 바이폴라형 구동전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체의 구동 방법.
제 9항에 있어서,

상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각에 ± Va의 전압을 교번하여 인가하는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체의 구동방법.
제 9항에 있어서,

상기 제1 전극에 +Va와 -Vb의 전압을 교번하여 인가하고 동시에 상기 제2 전극에 -Vb와 +Va의 전압을 교번하여 인가하는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체의 구동방법.
제 9항에 있어서,

상기 제1 전극에 -Va와 +Vb의 전압을 교번하여 인가하고 동시에 상기 제2 전극에 +Vb와 -Va의 전압을 교번하여 인가하는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체의 구동방법.
투광성 재질의 상판;

상기 상판과 소정 간격으로 이격되는 하판;

상기 상판 및 하판 사이를 이격시켜 소정의 방전 가스가 소정 압력으로 채워진 방전 공간을 형성하는 격벽 부재;

상기 방전 공간을 둘러싸는 상기 상판의 내벽 면 및 상기 하판의 내벽 면 중 적어도 일부의 영역에 도포된 형광체; 및

상기 방전 공간 내에 전계를 발생시켜 형성된 플라즈마에 의해 상기 형광체를 여기시킴으로써 가시 광을 방출하도록 상기 상판 또는 하판의 소정 위치에 패터닝되며, ± Va와
Vb의 정극성과 부극성의 펄스 파형이 교번적으로 인가되는 바이폴라형 구동전압이 인가되는 한 쌍의 주 전극을 포함하며,

여기서, 상기 형광체는 상기 상판의 내벽 면상에서 위치에 따라 불균일하게 도포되고, 상기 한 쌍의 주 전극을 구성하는 제1 전극과 제2 전극에 인가되는 펄스 파형 중 상기 제1 전극에 인가되는 펄스 파형의 폭이 상기 제2 전극에 인가되는 펄스 파형의 폭보다 크고, 상기 두 펄스 파형이 비동기되게 인가되는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체.
투광성 재질의 상판;

상기 상판과 소정 간격으로 이격되는 하판;

상기 상판 및 하판 사이를 이격시켜 소정의 방전 가스가 소정 압력으로 채워진 방전 공간을 형성하는 격벽 부재;

상기 방전 공간을 둘러싸는 상기 상판의 내벽 면 및 상기 하판의 내벽 면 중 적어도 일부의 영역에 도포된 형광체; 및

상기 방전 공간 내에 전계를 발생시켜 형성된 플라즈마에 의해 상기 형광체를 여기시킴으로써 가시 광을 방출하도록 상기 상판 또는 하판의 소정 위치에 패터닝되며, ± Va와
Vb의 정극성과 부극성의 펄스 파형이 교번적으로 인가되는 바이폴라형 구동전압이 인가되는 한 쌍의 주 전극을 포함하며,

여기서, 상기 하판의 내벽 면상에는 상기 격벽 부재보다 낮은 높이의 복수 개의 미세 격벽들이 형성되고, 그 상부에 형광체가 도포되며, 상기 한 쌍의 주 전극을 구성하는 제1 전극과 제2 전극에 인가되는 펄스 파형 중 상기 제1 전극에 인가되는 펄스 파형의 폭이 상기 제2 전극에 인가되는 펄스 파형의 폭보다 크고, 상기 두 펄스 파형이 비동기되게 인가되는 것을 특징으로 하는 면광원 구조체.
투광성 재질의 상판, 상기 상판과 소정 간격으로 이격되는 하판, 상기 상판 및 하판 사이를 이격시켜 소정의 방전 가스가 소정 압력으로 채워진 방전 공간을 형성하는 격벽 부재, 상기 방전 공간을 둘러싸는 상기 상판의 내벽 면 및 상기 하판의 내벽 면 중 적어도 일부의 영역에 도포된 형광체, 상기 방전 공간 내에 전계를 발생시켜 형성된 플라즈마에 의해 상기 형광체를 여기시킴으로써 가시 광을 방출하도록 상기 상판 또는 하판의 소정 위치에 패터닝되며, ± Va와
Vb의 정극성과 부극성의 펄스 파형이 교번적으로 인가되는 바이폴라형 구동전압이 인가되는 한 쌍의 주 전극 그리고 상기 상판으로부터 상기 방전 공간을 바라볼 때 상기 한 쌍의 주 전극 중 적어도 하나와 평행한 성분 및 상기 한 쌍의 주 전극을 가로지르는 성분을 갖도록 상기 하판 또는 상판에 패터닝된 보조 전극을 가지며 상기 한 쌍의 주 전극을 구성하는 제1 전극과 제2 전극에 인가되는 펄스 파형 중 상기 제1 전극에 인가되는 펄스 파형의 폭이 상기 제2 전극에 인가되는 펄스 파형의 폭보다 크고, 상기 두 펄스 파형이 비동기되게 인가되는 면광원 구조체; 및

상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극과 상기 보조 전극 사이에 프라이밍 방전을 발생시키고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 주 방전을 발생시키는 구동 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 면광원 장치.