Nowadays LCDs which are representative information display devices, are non-self emissive; thus LCDs require an external light source called a backlight. A conventional LCD backlight uses a cold cathode fluorescent lamp (CCFL) with mercury (Hg) plasma, though, in spite of the Hg's excellent light emission characteristics, it has drawbacks of the environmental pollution and the lack of luminance uniformity. As a result of these drawbacks, there has been a research trend of substituting Hg-free flat light sources for CCFL. We have noticed a Xe plasma flat lamp as a substitute for CCFL and tried to improve the performance of the lamp.
For this purpose, we fabricated a Xe plasma flat lamp via a screen-printing method; and studied the effects of structural components such as a gas pressure, a gas composition, a dielectric layer and an electrode structure and the effects of electrical components such as the amplitude and the shape of an input voltage waveform.
For the variation of a gas pressure and a gas composition, the luminance and the luminous efficiency of the lamp were improved with respect to the increase of Xe partial pressure; and such a trend was more clear in the cases of the employment of He as a buffer gas and the decrease of dielectric capacitance due to a phosphor layer. These conditions, however, also increased the minimum sustain voltage for the lamp. As the input voltage increased, the luminance increased but the luminous efficiency decreased in a Xe-He mixture and a Xe-Ne mixture. Especially, the luminous efficiency decreased seriously because of the plasma contraction phenomenon with respect to the increase of the input voltage in the case of higher dielectric capacitance due to the absence of a phosphor layer.
We observed the infrared emission of 823 nm and 828 nm from Xe excited species to infer the discharge state in the lamp. In various discharge conditions, the infrared intensity ratio of 828 nm to 823 nm increased as Xe input ratio increased, but decreased as the input voltage increased. We inferred that the infrared intensity ratio of 828 nm to 823 nm was related to the luminous efficiency because the recombination between Xe ions and electrons affected the infrared emission of 823 nm.
With respect to the input voltage waveform, the double frequency waveform superimposing a few Wk component onto several tens of kHz pulses appeared to improve the luminance and the luminous efficiency a little in the coplanar type lamp. But the effects of the double frequency waveform were not observed in the planar type lamp. In this study, we controlled the power consumption of the lamp via the voltage modulation and the frequency modulation. In the coplanar type lamp, the luminous efficiency was almost constant with respect to the increase of the input voltage; but the luminous efficiency decreased with respect to the increase of the pulse frequency. In the planar type lamp, the luminous efficiency almost decreased with respect to the increase of the input voltage and the pulse frequency except several discharge conditions. We inferred that such differences between the coplanar type lamp and the planar type lamp were attributed to the existence of a filamentary discharge and the difference of the discharge space. From the experimental results, we obtained a high luminous efficiency at a high power consumption via the high voltage and low frequency pulse in the coplanar type lamp. But we did not find the conditions of an input voltage waveform for a high luminous efficiency in the planar type lamp.
The variation tendency of the infrared intensity ratio of 828 nm to 823 nm was analogous to that of the luminous efficiency with respect to the variation of the input voltage waveform in the coplanar type lamp. However we did not observe the analogy between the infrared intensity ratio and the luminous efficiency in the planar type lamp, From the experimental results, we could estimate the variation of the local luminous efficiency by the observation of the infrared intensity ratio in the coplanar type lamp; and also inferred that the filamentary discharge affected the relation between the infrared intensity ratio and the luminous efficiency due to the stepwise ionization in the planar type lamp.
We studied the luminous characteristics of the Xe plasma flat lamp via the experiments and had some difficulty in the analysis of experimental results. Therefore we made a simulation program for the numerical analysis of the discharge in a lamp.
In the 0-dimensional numerical analysis, the ionization frequency decreased and the excitation frequency increased with respect to the increase of Xe input ratio in the below 200 $Vcm^{-1}Torr^{-1}$. The frequency ratio of the excitation to the ionization increased with respect to the increase of Xe input ratio and the decrease of the reduced electric field. We used the relaxation continuum (RCT) model and the local field approximation (LFA) model for the 1-dimensional numerical analysis of the discharge formation in the planar type lamp; and observed the same results from two models. The discharge current and the change of the discharge state merely appeared earlier in the LFA model than in the RCT model because the LFA model exaggerated the ionization reaction in the plasma sheath.
The difference between the RCT model and the LFA model appeared in the numerical analysis of the effects of the voltage modulation and the frequency modulation. In the RCT model, the variation of vacuum ultraviolet (VUV) for the voltage modulation and the frequency modulation seemed analogous to that of the infrared intensity ratio of 828 nm to 823 nm observed in the planar type lamp. In the LFA model, the VUV, however, did not show a analogous variation with the infrared intensity ratio nor the luminous efficiency observed in the planar type lamp. We, therefore, concluded that the RCT model was valid in the numerical analysis for the discharge in the planar type lamp.
We found that a luminous efficiency increased at a high power consumption with the frequency increase of a high frequency component and the increase of a falling rate in an input voltage waveform via the numerical analysis.
현재, LCD의 대형화 및 환경오염에 대한 규제가 진행되어감에 따라 기존 LCD 백라이트로 주로 사용되던 CCFL 시스템을 대체할 새로운 백라이트 시스템이 요구되고 있다. 차세대 LCD 백라이트 시스템으로 여러 형태의 광원이 연구되고 있으며, 본 연구에서는 다양한 장점에 의하여 Xe 플라즈마 평판 램프를 CCFL을 대체할 가장 적합한 광원으로 판단하였다. 이에 따라 본 연구에서는 Xe 플라즈마 평판 램프의 특성을 파악하고 램프의 성능을 개선할 수 있는 방향을 모색하였다.
이를 위해 먼저, Xe 플라즈마 평판 램프를 제작하여 방전 기체의 조성과 압력, 형광체의 도포 형태, 전극 배치와 같은 램프의 구조적 요소가 미치는 영향과 인가전압의 크기, 전압펄스의 형태와 같은 구동 전력의 요소가 미치는 영향을 조사하였다. 그리고 램프 내 플라즈마의 방전에 대한 실험적 해석이 상당히 어려운 관계로 수치해석 프로그램을 제작, 이를 이용하여 방전 특성의 일부를 살펴보았다.
본 연구에서는 Xe 플라즈마 평판 램프에 대한 실험 및 수치적 연구를 통하여, 다음과 같은 결과를 얻었다.
▷ 완충 기체의 변화가 램프의 방전 특성에 미치는 영향
① 면방전형 램프의 광효율은 Xe 부분압의 증가에 따라 향상되었으며, 이러한 경향은 완충 기체로 이온화 반응이 상대적으로 어려운 He을 사용하고 형광체 도포에 의해 유전체의 정전 용량이 감소한 경우에서 더 크게 나타났다. 그러나 이와 같은 조건은 램프의 최소방전유지전압의 증가도 야기하므로 이에 대한 고려가 필요하다.
② 완충 기체가 혼합되어 있을 경우, 인가전압의 증가에 따라 휘도의 증가량보다 전력 소모량이 더 커서 광효율은 감소하였으며, 특히 형광체가 유전체 위에 도포되지 않아 정전 용량이 상대적으로 큰 경우에서는 인가전압의 증가에 따라 급격한 플라즈마 수축 현상이 발생하여 발광 면적의 감소 및 이에 따른 광효율의 감소가 나타났다.
③ 면방전형 램프에서 발생되는 828 ㎚/823 ㎚의 적외선 강도비는 방전 기체와 관련된 조건에 따라 일정한 변화 경향성을 나타냈는데, 이는 기체 압력과 플라즈마의 밀도에 따른 Xe 이온과 전자 간 재결합율의 변화, 기체의 종류에 따른 collisional quenching의 차이에 영향을 받는 것으로 추정되었다. 특히 823 ㎚의 발생은 Xe 이온과 전자의 재결합에 큰 영향을 받으므로, 828 ㎚/823 ㎚의 적외선 강도비는 램프의 발광 효율과 일부 관련이 있을 것으로 판단되었다.
▷ 인가전압 펄스의 변화가 램프의 방전 특성에 미치는 영향
① 면방전형 램프에서는 인가전압의 형태가 수십 ㎑의 저주파 성분에 수 ㎒의 고주파 성분이 추가된 이중 주파수의 형태를 가질 경우, 램프의 휘도와 광효율이 약간 향상되는 것으로 나타났으며, 이는 방전 중 생성된 하전입자들이 고주파 성분에 의하여 진동을 함으로써 Xe의 여기효율에 영향을 주기 때문으로 추정하였다. 그러나 대향형 램프에서는 이중 주파수의 형태로 인한 광효율의 향상 효과가 나타나지 않았으며, 이는 대향형 램프에서 나타나는 필라멘트 방전의 존재와 상대적으로 짧은 방전 경로로 인한 하전입자의 빠른 손실이 영향을 미치는 것으로 판단하였다.
② 램프의 소모전력은 크게 인가전압의 크기를 변화시키거나 전압 펄스의 주파수를 변화시키는 방법을 통하여 조절할 수 있다. 면방전형 램프에서는 인가전압의 크기를 증가시킬 경우, 램프의 휘도는 증가하고 광효율은 거의 일정하였으며, 전압 펄스의 주파수를 증가시킬 경우, 램프의 휘도는 증가하지만 광효율은 감소하였다. 이는 소모전력의 조절 방식에 따라 방전에 관여하는 priming 입자 밀도가 다르게 되며, 결국 priming 입자 밀도의 차이가 기체의 여기율 및 이온화율을 변화시키기 때문으로 추정하였다. 그러나 대향형 램프에서는 인가전압의 크기를 증가시킬 경우, 일부를 제외한 모든 조건에서 휘도의 증가 및 광효율의 감소가 나타났으며, 전압 펄스의 주파수를 증가시킨 경우에서도 램프의 휘도는 증가하였고 광효율은 감소하였다. 이러한 면방전형 램프와 대향형 램프간의 차이는 필라멘트 방전의 존재와 방전 공간의 크기 차이에 기인한 것으로 추정되었다. 그리고 실험 결과로부터, 고휘도를 위한 램프의 고전력 동작 시 면방전형 램프에서는 고전압, 저주파수의 인가전압 펄스를 사용해야 상대적으로 고효율을 획득할 수가 있고, 반면에 대향형 램프에서는 고효율을 획득하기 위한 전압과 주파수의 조건을 설정하기 어려웠다.
③ 인가전압 파형의 조건에 따라 측정된 828 ㎚/823 ㎚의 적외선 강도비는 면방전형 램프의 경우, 광효율과 유사한 변화 경향성을 보였으며, 반면에 대향형 램프에서는 광효율과는 다른 경향성을 보였다. 이는 적외선 강도비의 측정을 통하여 국부적으로 광효율의 변화를 추정할 수 있음을 의미한다. 그리고 대향형 램프의 경우, 적외선 강도비가 광효율과는 연관성을 보이지 않았지만, 광파형과의 비교를 통하여 적외선 강도비와 광효율간의 변화 경향성 차이는 필라멘트 방전에 의한 stepwise ionization 등의 효과에 기인하는 것으로 판단하였다.
▷ 수치해석을 통한 램프 방전 특성의 분석
① 영차원 수치해석의 결과, E/P가 $200 V㎝^{-1}Torr^{-1}$ 이하일 때 Xe 함량의 증가에 따라 이온화 주파수는 감소하고 여기화 주파수는 증가하였다. 그리고 여기화 주파수와 이온화 주파수의 비는 Xe 함량의 증가에 따라 증가하고 E/P의 감소에 따라 급격히 증가함을 보였으나, 완충 기체의 종류에 따라서는 큰 차이를 보이지 않았다. 이 결과는 Xe 함량의 증가에 따른 휘도 및 광효율의 증가와 인가전압의 증가에 따른 휘도 증가 및 광효율의 감소를 설명해준다.
② 대향형 램프에서의 방전 형성 과정에 대한 일차원 수치해석 시, RCT 모델과 LFA 모델은 서로 유사한 결과를 보였다. 다만 LFA 모델에서는 쉬스에서의 기체 이온화율을 과장하여 전체적으로 방전 전류 및 방전 상태의 변화가 빠르게 나타났다. 그리고 하전입자의 에너지 획득율을 살펴본 결과, 이온에 의한 에너지 획득이 전자에 의한 에너지 획득보다 더욱 큰 것으로 나타났으며, 따라서 진공자외선의 생성율을 증가시키기 위해서는 전자의 에너지 획득을 상대적으로 증가시키거나 전자의 에너지 소모 중 $Xe^*(6s[3/2]_2)$ 나 $Xe^*(6s[3/2]_1)$ 으로의 에너지 소모를 증가시키는 방법을 모색해야 한다.
③ 인가전압의 크기와 전압 펄스의 주파수가 미치는 영향을 수치해석을 통하여 분석한 결과, RCT 모델과 LFA 모델은 서로 다른 결과를 나타냈다. RCT 모델의 경우, 전압의 크기 및 주파수가 미치는 영향이 실험 시 측정된 823 ㎚/823 ㎚의 적외선 강도비 변화와 유사한 것으로 나타난 반면에 LFA 모델의 결과는 광효율 또는 적외선 강도비의 변화와는 다르게 나타났다. 이에 따라 RCT 모델이 램프 내 방전에 대한 수치해석 시 유효한 것으로 판단되었으며, 또한 대향형 램프의 실제 실험 결과에 대한 원인을 추정할 수 있었다.
④ 일차원 수치해석의 결과, 인가전압 펄스에서의 고주파 성분의 존재는 이온의 에너지 획득을 방해하여 전자의 에너지 획득을 상대적으로 증가시키는 것으로 나타났다. 이는 이중 주파수 형태의 인가전압 펄스에서의 우수한 광효율이 고주파 성분에 의한 하전입자의 진동에 기인한다는 기존 연구 결과와 약간 다른 관점을 제공한다.
⑤ 수치해석을 통하여, 인가전압 펄스 내 고주파 성분의 변화와 전압 인가 말기에서의 전압감소율 변화가 진공자외선 생성효율에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과, 램프의 고전력 구동 시, 고주파 성분에서의 주파수 증가와 전압감소율의 증가를 통하여 램프의 광효율을 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다.
