KR20060100693A - 액정표시장치의 백라이트 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소비 전력을 줄일 수 있는 액정표시장치의 백라이트 유닛에 관한 것으로, 광을 발산하는 램프와; 입력전원을 교류로 변환시키고, 변압시켜 상기 램프에 공급하는 인버터와; 상기 인버터에 공급된 전류를 주기적으로 충전하고, 방전함으로써, 외부의 전류 공급없이 상기 인버터에 인가되는 전압을 목적하는 레벨까지 끌어올리는 에너지 재사용부로 구성된다.
LC공진, 소비전력, 충전, 방전, 램프, 전류

Description

액정표시장치의 백라이트 유닛{BACK-LIGHT UNIT OF LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}
도1은 본 발명에 따른 백라이트 유닛을 나타낸 도면.
도2는 도1의 a-b전압의 파형을 나타낸 도면.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
10: 인버터 15: 변압기
20: 에너지 재사용부 30: 램프
Vin: 입력전압 D1: 제 1다이오드
D2: 제 2다이오드 T1: 제 1트랜지스터
T2: 제 2트랜지스터 T3: 제 3트랜지스터
T4: 제 4트랜지스터 CS1: 제 1제어신호
CS2: 제 2제어신호 CS3: 제 3제어신호
CS4: 제 4제어신호 C1: 제 1커패시터
C2: 제 2커패시터 C3: 제 3커패시터
본 발명은 액정표시장치(liquid crystal display device)의 백라이트 유닛(back-light unit)에 관한 것으로, 특히, 램프 구동을 위해 공급되는 전원을 충전하고, 재 사용하여 추가적인 전원공급을 줄임으로써, 전력 소비를 줄일 수 있는 액정표시장치의 백라이트 유닛에 관한 것이다.
최근, 정보기술(information technology)의 발전에 따라 정보를 시각적으로 구현하는 표시장치가 다양하게 개발되고 있다. 특히, 액정표시장치는 얇고 가벼우며, 낮은 소비전력과 선명한 화질을 구현할 수 있는 차세대 표시장치로서 종래에 널리 사용되던 음극선관(cathode ray tube:CRT)을 빠르게 대체하고 있다.
액정표시장치는 액정의 광학적 이방성을 이용한 표시장치로서, 박막 트랜지스터 어레이(thin film transistor array) 기판과 컬러필터(color filter) 기판 사이에 주입된 액정에 일정한 전계를 가하여 액정을 재배열시켜 광원으로부터 공급되는 광의 투과율을 조절함으로써, 화상을 표시하는 것이 특징이다.
액정표시장치는 상기 박막트랜지스터 어레이 기판과 컬러필터 기판이 합착되어 그 사이에 액정이 주입된 액정패널(liquid crystal display panel)과, 그 액정패널을 구동시키는 구동부와, 상기 액정패널에 광을 공급하는 백라이트 유닛으로 구분된다.
상기 백라이트 유닛은 외부의 직류전원을 공급받아 고전압의 교류로 변환시키는 인버터(inverter)와, 상기 인버터로부터 공급되는 교류에 의해 구동되어 광을 발산하는 램프(lamp)로 구성된다. 상기 램프의 양단에는 금속 전극이 구비되고, 램프 내부에는 가스가 충전되는데, 통상 수은가스가 충전된다.
상기와 같이 구성된 백라이트 유닛의 구동은 다음과 같다. 상기 램프 양단에 고전압이 인가되면, 금속전극으로부터 자유전자가 튀어나와 가스를 여기 상태(excited state)로 만들고, 이 가스가 다시 안정된 상태로 돌아오면서 방출하는 자외선이 램프 내벽에 발라져 있는 형광물질을 반응시켜 발광이 일어난다.
상기와 같이, 램프 양단의 전압을 높은 레벨로 끌어올려 램프의 초기 반응을 일으키기 위해서는 상기 램프에 많은양의 전류가 공급되어야 하며, 또한, 방전이 촉발되어 구동을 시작한 램프를 계속 발광시키기 위하여 지속적으로 전류를 공급하여야 한다.
이와 같은 구동 특성으로 인해 백라이트 유닛은 액정표시장치 내의 다른 장치들에 비해 더 큰 전력 소비가 요구된다. 그리고, 최근 액정표시장치의 휘도 향상 목적으로 탑재되는 램프의 수가 늘어남에 따라 백라이트 유닛에 요구되는 소비 전력도 점차 증가하고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 램프 구동 목적으로 인버터에 공급된 전원의 일부를 충전하여 램프 구동에 재사용함으로써, 추가적으로 공급할 전력을 줄일 수 있는 액정표시장치의 백라이트 유닛을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 액정표시장치의 백라이트 유닛은 광을 발산하는 램프와; 입력전원을 교류로 변환시키고, 변압시켜 상기 램프에 공급하는 인버 터와; 상기 인버터에 공급된 전류를 주기적으로 충전하고, 방전하여 외부의 전류 공급없이 상기 인버터에 인가되는 전압을 목적하는 레벨까지 끌어올리는 에너지 재사용부로 구성된다.
도1은 본 발명에 따른 액정표시장치의 백라이트 유닛을 나타낸 도면이다.
도1을 참조하면, 광을 발산하는 램프(14)와; 입력전압(Vin)을 번갈아 스위칭하여 교류로 변환시키고, 그 변환된 교류를 승압시켜 상기 램프(14)에 공급하는 인버터(10)와; 상기 인버터(10)에 공급된 입력전압(Vin)의 일부를 충전하며, 그 충전된 전압을 방전하여 상기 인버터(10)에 공급하는 에너지 재사용부(20)를 포함하여 구성된다.
상기 인버터(10)에 구비된 제 1트랜지스터(T1) 및 제 2트랜지스터(T2)는 직렬로 연결되고, 제 2커패시터(C2)는 상기 제 1트랜지스터(T1) 및 제 2트랜지스터(T2)에 공통적으로 연결된다. 그리고, 변압기(15)의 1차코일의 양측이 각각 상기 제 2커패시터(C2)와 제 2트랜지스터(T2)에 연결된다.
상기 변압기(15)의 1차코일과 2차코일은 N1:N2의 권수비를 가지며, 상기 2차코일은 제 1커패시터(C1) 및 램프(30)와 병렬로 접속된다. 여기서, N1과 N2는 자연수이고, 상기 변압기(15)는 승압을 목적으로 하기 때문에 N1보다 N2를 크게 해주어야 한다. 상기 제 1인덕터(L1)는 상기 변압기(15)의 누설 인덕턴스(leakage inductance)를 형상화시켜 표기한 것이다. 상기 변압기(15)는 상기 제 1커패시터(C1)와 함께 상기 변압기(15)의 1차코일에서 2차코일로 유도되는 전압 레벨을 공진시켜 더 큰 레벨의 전압이 상기 램프(30)에 인가되도록 한다.
상기 인버터(10)에 전기적으로 연결된 에너지 재사용부(20)는 직렬로 연결된 제 1다이오드(D1) 및 제 2다이오드(D2)와, 상기 제 1다이오드(D1)의 애노드 전극과 연결된 제 3트랜지스터(T3)와, 상기 제 2다이오드(D2)의 캐소드 전극과 연결된 제 4트랜지스터(T4)와, 상기 제 3,4트랜지스터(T3,T4)에 공통적으로 연결된 제 3커패시터(C3)로 구성된다.
상기 제 1다이오드(D1)와 제 2다이오드(D2)는 상기 인버터(10)에 서로 반대되는 전극이 연결된다. 즉, 상기 제 1다이오드(D1)와 제 2다이오드(D2)는 상기 인버터(10)에 대하여 각각 순방향 및 역방향으로 연결되어 어느 하나를 통해서만 상기 인버터(10)와 에너지 재사용부(20) 사이의 전류 흐름을 제한한다.
상기 백라이트 유닛에 구비된 제 1 내지 4트랜지스터 (T1∼T4)는 각각 제 1 내지 4제어신호 (CS1∼CS4)에 의해 턴-온 또는 턴-오프된다.
상기 인버터(10)에 인가되는 입력전압(Vin)은 직류전압이다. 상기 입력전압(Vin)은 상기 제 1트랜지스터(T1)를 통해 인버터(10)에 인가되며, 상기 제 1,2제어신호(CS1,CS2)에 의해 교대로 턴-온되는 제 1,2트랜지스터(T1,T2)에 의해 고전위와 저전위 레벨을 주기적으로 스윙한다. 도면에 도시된 a노드와 b노드는 인버터(10)에 인가된 입력전압(Vin)을 용이하게 설명하기 위하여 임의적으로 설정한 기준 노드이다. 상기 b노드는 접지이고, a노드와 b노드 사이의 전압차인 a-b전압은 상기 인버터(10)에 인가된 입력전압(Vin)의 레벨을 나타낸다.
상기 a-b전압은 교대로 턴-온되는 제 1,2트랜지스터(T1,T2)에 의해 주기적으로 고전위 또는 저전위로 천이된다. 상기 인버터(10)에 구비된 제 2커패시터(C2)는 전압의 직류성분을 차단하기 위해 구비된 것으로서 상기 제 2커패시터(C2)는 상기 a-b전압에 포함된 직류성분을 차단하기 때문에 상기 변압기(15)의 1차코일에 인가되는 전압은 상기 a-b전압과 동일한 진폭을 갖는 교류전압이다. 상기 변압기(15)의 1차코일에 공급되는 전류는 상기 제 2커패시터(C2)의 동작에 따라 교류가 공급된다.
상기 변압기(15)의 1차코일에 인가된 a-b전압의 교류성분은 1차코일과 2차코일의 권수비에 따라 변압되어 2차코일에 유도된다. 그런데, 상기 변압기(15)는 2차코일의 권선수가 1차코일에 비해 많으므로, 2차코일에는 1차코일에 인가된 전압보다 높은 전압이 유도된다.
한편, 상기 변압기(15)의 1차코일에는 그 1차코일을 흐르는 전류의 변화에 따라 자속(flux)이 발생하여 2차코일과 쇄교하여 2차코일에 전류가 유도된다. 그런데, 1차코일에서 2차코일로 쇄교하는 자속 중 일부는 누설되며, 이러한 누설 자속(leakage flux)에 기인하는 인덕턴스를 상기 제 1인덕터(L1)로 형상화하여 도시하였다. 상기 제 1인덕터(L1)는 상기 램프(30)와 병렬로 연결된 제 1커패시터(C1)와 LC공진(LC resonant)을 일으켜 상기 변압기(15)의 2차코일에 유도된 고전압을 더 높은 전압으로 상승시킨다. 상기 램프(30)가 초기 방전되어 발광을 시작하기 위해서는 보통 수천V의 고전압이 요구되기 때문에 변압과 LC공진을 통해 램프(30)를 초기 구동시키기 충분한 전압으로 승압시킨다.
상기 에너지 재사용부(20)가 연결된 백라이트 유닛의 구동은 도2의 전압 파형을 참조하여 상세하게 설명하도록 하겠다.
본 발명의 백라이트 유닛의 구동과정은 도2에 도시된 a-b전압의 파형에 따라 총 4단계로 구분할 수 있다.
먼저, 제 1단계는 제 1트랜지스터(T1)가 제 1제어신호(CS1)에 의해 턴-온되어 상기 인버터(10)로 전류가 유입되면서 a-b전압이 입력전압(Vin)과 동일한 레벨까지 상승하게 되고, 일정 시간동안 동일한 전위상태가 유지되는 단계이다. 상기 램프(30)가 고전압에 의해 방전을 시작하여 발광하게 되면, 상기 램프(30)는 방전 상태를 유지하기 위한 전하를 보충하기 위하여 인버터(10)로부터 지속적으로 전류를 끌어간다. 따라서, 외부로부터 인버터(10)로 공급된 전류는 상기 램프(30) 구동을 위해 소모되면서 a-b전압의 레벨이 떨어지게 된다. 그런데, 상기 a-b전압 레벨이 떨어질 경우 상기 램프(30)의 방전이 중단될 수 있으므로, 상기 a-b전압 레벨을 유지시키기 위해 인버터(10)는 외부로부터 추가적인 전류를 공급받는다.
상기와 같이, 제 1트랜지스터(T1) 턴-온구간에서 a-b전압은 입력전압(Vin)의 레벨 상태를 유지하며, 상기 램프(30)는 발광한다. 이때, 상기 램프(30)의 양단에 변압기(15)의 2차코일에 유도되는 동일한 극성의 전압만 지속적으로 인가될 경우 일정 시간 경과 후 램프(30) 내부에서는 양극화가 완료되어 더 이상 방전이 일어나지 않게 된다. 따라서, 상기 램프(30) 양단에 걸리는 전압의 극성을 바꿔주어 지속적으로 방전이 일어나도록 해야 한다. 즉, 상기 램프(30)는 교류에 의해 구동되는 소자이므로, 상기 변압기(15)를 통해 교류를 인가해주어야 한다.
교류를 생성하기 위해 상기 제 1트랜지스터(T1)와 제 2트랜지스터(T2)는 교대로 턴-온된다. 예를 들어, 상기 제 1트랜지스터(T1)를 턴-오프시키고, 상기 제 2 트랜지스터(T2)를 턴-온 시킬 경우 상기 a-b전압은 0V로 떨어진다. 반대로, 상기 제 1트랜지스터(T1)를 턴-온시키고, 상기 제 2트랜지스터(T2)를 턴-오프시킬 경우 상기 a-b전압은 입력전압(Vin) 레벨이 된다. 즉, 상기 제 1트랜지스터(T1)와 제 2트랜지스터(T2)의 제어에 따라 a-b전압은 두 레벨사이를 천이하는 구형파 형태가 된다. 그런데, 상기 제 2트랜지스터(T2)를 턴-온시키는 순간에도 상기 인버터(10)에는 램프(30) 구동을 위해 공급되었던 전하가 잔류하고 있는 상태로서, a-b전압은 여전히 입력전압(Vin) 레벨을 유지하고 있다. 따라서, 상기 인버터(10)의 a-b전압을 충전하여 주기적으로 반복되는 램프 구동에 재사용할 수 있는 새로운 단계가 포함되었다.
백라이트 유닛 구동의 제 2단계는 상기 인버터(10)의 a-b전압을 상기 에너지 재사용부(20)에 충전하는 단계이다.
상기 a-b전압을 입력전압(Vin)의 레벨로 상승시키는데에는 상기 인버터(10)에 많은 전류를 공급하여야 한다. 따라서, 상기 제 1트랜지스터(T1)가 턴-온되는 구간에서 매번 큰 전력이 인버터(10)에서 소비된다. 본 발명에서는 제 1트랜지스터(T1) 턴-온 구간에서 인버터(10)에 공급된 전하를 저장하여 상기 제 1트랜지스터(T1)의 다음 턴-온 구간에서 재사용함으로써, 재사용되는 에너지가 램프 구동 에너지의 일정 부분을 대체하게 되어 외부에서 추가적으로 공급될 전류를 줄일 수 있게 된다.
상기 제 2단계에서는 상기 에너지 재사용부(20)의 제 4트랜지스터(T4)만 턴-온된다. 이에 따라, 상기 인버터(10)와 에너지 재사용부(20) 사이에는 a노드, 제 1 다이오드(D1), 제 4트랜지스터(T4) 및 제 3커패시터(C3)를 연결하는 전기적 경로가 형성되고, 그 경로를 통해 상기 인버터(10)로부터 상기 에너지 재사용부(20)에는 전류가 공급되어 상기 제 3커패시터(C3)에는 일정한 전압이 충전된다. 상기 a-b전압 파형은 상기 제 3커패시터(C3)의 커패시턴스와 변압기(15)의 누설 인덕턴스와의 작용에 의해 도2에 도시된 파형과 같이 LC공진을 하게되어 전압이 강하되는 시간이 지연되므로, 상기 제 3커패시터(C3)에는 충분한 전하를 공급받아 목적하는 레벨로 전압을 충전시킬 수 있다. 상기 목적하는 레벨은 램프의 방전을 유발시켜 초기 구동이 시작되게 하는 전압 레벨일 것이다. 보다 자세하게는, 인버터(10)의 전압은 변압기(15)를 통해 한번 승압되어 램프에 공급되므로, 상기 변압기(15)의 1차코일에는 승압되어 램프를 초기 구동시킬 수 있는 전압이 인가되어야 한다.
상기 제 3커패시터(C3)에 충전된 전압은 이후에 방전되면서 전압 크기가 LC공진에 의해 2배로 승압되기 때문에 상기 제 3커패시터(C3)에는 입력전압(Vin)의 1/2만 충전시키면 충분하다.
한편, 상기 제 2다이오드(D2)는 상기 인버터(10)로부터 유입되는 전류에 역방향으로 연결되어 있어 전류 흐름을 차단하며, 상기 제 1다이오드(D1)를 통해서만 제 3커패시터(C3)에 전압이 충전된다.
상기 제 3커패시터(C3)에 충분한 전압이 충전되고, 상기 제 4트랜지스터(T4)는 턴-오프된다. 상기 백라이트 유닛 구동의 제 3단계에서는 상기 제 4트랜지스터(T4)가 턴-오프되고, 상기 제 2트랜지스터(T2)가 턴-온된다.
상기 제 4트랜지스터(T2)가 턴-오프됨에 따라 상기 에너지 재사용부(20)는 상기 인버터(10)에 전기적으로 차단되어 제 3커패시터(C3)는 충전된 전압을 그대로 유지한다.
한편, 상기 인버터(10)의 턴-온된 제 2트랜지스터(T2)를 통해 a노드와 접지인 b노드가 도통되므로, 상기 a노드는 기저전압 레벨이 된다. 이때, 상기 제 1트랜지스터(T1)가 턴-온되는 제 1단계에서 변압기(15)의 1차코일에 흐르던 전류의 방향이 반대로 바뀐다. 따라서, 상기 램프(30)는 방전이 중단되는 일이 없이 지속적으로 발광을 하게 된다.
다시 제 1단계가 되면, 상기 인버터(10)의 제 2트랜지스터(T2)는 턴-오프되고, 상기 에너지 재사용부(20)의 제 3트랜지스터(T3)가 턴-온된다. 따라서, 상기 제 3커패시터(C3)에 충전되어 있던 전압이 방전되면서 상기 인버터(10)의 a-b전압 레벨을 끌어올리게 된다. 이때, 상기 a-b전압은 상기 제 3커패시터(C3)와 변압기(15)의 누설 인덕턴스에 의해 LC공진하여 입력전압(Vin) 레벨까지 상승하게 되며, 외부로부터 추가적인 전류 공급없이 상기 제 3커패시터(C3)에서 방전되는 전압만으로 a-b전압 레벨을 끌어올린다.
상기 a-b전압은 상기 에너지 재사용부(20)의 제 3커패시터(C3)의 충전 전압만으로 램프(30)를 초기 구동시킬 수 있는 전압 레벨까지 미리 상승되므로, 상기 제 1트랜지스터(T1)가 턴-온되는 제 2단계에서는 a-b전압 레벨을 유지할 최소한의 전류만 추가적으로 공급받으면 된다. 즉, 백라이트 유닛에 소비되는 전력을 줄일 수 있다.
최근, 패널 면적을 점점 늘려가는 액정표시장치에서 탑재되는 램프(30)의 수 도 늘어나는만큼 그 램프(30)를 구동시키기 위한 전력을 올릴 경우 상기와 같은 에너지 재사용부(20)가 구비되어 인버터(10)의 전압을 충전하여 재사용하면, 소비 전력을 크게 줄일 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 액정표시장치의 백라이트 유닛은 램프 구동을 위해 공급된 전압을 충전하여 램프 구동에 재사용함으로써, 외부에서 추가적으로 공급할 전류량을 줄일 수 있게 되어 액정표시장치의 전력 소비를 줄일 수 있다.

Claims (10)

  1. 광을 발산하는 램프;
    입력전원을 교류로 변환시키고, 변압시켜 상기 램프에 공급하는 인버터;
    상기 인버터에 공급된 전류를 주기적으로 충전하고 방전하여 상기 인버터의 전압을 램프의 구동을 가능하게 하는 레벨까지 끌어올리는 에너지 재사용부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 백라이트 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 인버터는
    입력전원을 교대로 도통 또는 차단하여 펄스 형태의 전압을 생성시키는 제 1,2트랜지스터;
    상기 제 1,2트랜지스터에 의해 생성된 전압 중 교류성분만 선택적으로 통과시키는 커패시터;
    상기 제 1커패시터를 통해 전달받은 교류성분을 승압시켜 상기 램프에 인가하는 변압기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 백라이트 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 인버터의 전압이 상기 에너지 재사용부에서 방전된 전압에 의해 목적하는 레벨이 된 후 외부로부터 추가적인 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 백라이트 유닛.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 인버터에 공급되는 외부 전류는 상기 인버터의 전압 레벨을 유지시키기 위한 최소한의 전류인 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 백라이트 유닛.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 재사용부는
    상기 인버터에 인가된 전압을 충전하거나 충전된 전압을 인버터로 방전하는 제 2커패시터;
    상기 인버터의 전압을 통과시켜 상기 제 2커패시터로 전달하는 제 1다이오드 및 제 4트랜지스터;
    상기 제 2커패시터에서 방전되는 전압을 상기 인버터로 전달하는 제 2다이오드 및 제 3트랜지스터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 백라이트 유닛.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1다이오드와 제 2다이오드 중 어느 하나는 상기 인버터에 인가된 전압 극성에 대해 정방향으로 배치되고, 나머지 하나는 역방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 백라이트 유닛.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 커패시터에 충전되는 전압은 상기 인버터에 인가된 입력전압보다 작은 전압인 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 백라이트 유닛.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 커패시터에 충전되는 전압은 상기 인버터의 입력전압의 1/2인 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 백라이트 유닛.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 재사용부에 인버터의 전압이 충전되거나 에너지 재사용부에 충전된 전압이 인버터로 방전되는 경우 LC공진이 일어나는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 백라이트 유닛.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 LC공진은 상기 에너지 재사용부의 커패시터의 커패시턴스와 상기 인버터의 변압기의 누설 인덕턴스에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 백라이트 유닛.
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