LCD (Liquid Crystal Display) panels are used in various applications ranging from smaller portable electronic equipment to larger fixed location units. The LCD panel itself cannot emit light. Therefore, a backlight system that supplies the light from behind is normally required. Currently, the most commonly used light emitting device is a fluorescent tube called a EEFL (External Electrodes Fluorescent Lamp). EEFL is mostly driven by sinusoidal wave driving method although EEFL can be driven by both sinusoidal wave and square wave. The sinusoidal wave driving method reduces the cost and allows more power efficiency since this driving method can reduce the voltage stress of EEFL inverter switches and achieve the soft switching of the switches. However, a transformer should be used in the inverter since a high voltage should be applied to the both ends of EEFL to turn on the lamp. And the power loss mainly occurs at the transformer in the sinusoidal wave driving method.
As the transformer is removed, a square wave is applied directly to the both ends of EEFL by a cascaded three-stage inverter. And if EEFL is driven by a square wave, a change of driving frequency and voltage can be easily controlled. Therefore, the characteristics of the luminescence and discharge would be easily examined. And In the case of square wave, the high luminance and light efficiency can be obtained. In this thesis, a comparative analysis between the sinusoidal and square wave driving method will be presented. And also, the luminescence and discharge characteristics of EEFL driven by square wave will be analyzed from the experimental results.
액정 디스플레이 소자는 소형 표시장치에서부터 대형 표시기기까지 다양한 응용이 가능하다. 이 액정 디스플레이 패널은 자가 발광할 수 없으므로, 빛을 낼 수 있는 백라이트 시스템이 반드시 필요하다. 백라이트로는 냉음극 형광 램프와 외부 전극 형광램프가 주로 사용되고 있다. 그러나, 액정 디스플레이가 점차 대형화됨에 따라 전극이 외부에 있어 병렬 구동이 가능한 외부전극 형광램프가 저가격, 고효율 측면에서 널리 사용되고 있다.
한편, 외부전극 형광램프는 높은 기체 방전 구동전압을 램프 양단에 인가하여 구동시킨다. 정현파 구동 방법에서는 트랜스포머를 사용하여 램프의 양단에 고전압을 인가해 준다. 정현파 구동 방법은 스위칭 소자의 전압 내압을 낮출 수 있고, 영전압 스위칭을 보장함으로써 스위칭 손실을 줄일 수 있으므로, 저가격, 고효율의 장점이 있다. 그러나 이 구동 방법에서는 트랜스포머를 사용하기 때문에 이 트랜스포머의 누설 인덕턴스와 램프의 캐패시턴스 성분의 공진으로 램프 양단 전압의 형태는 항상 정현파가 된다. 공진을 일으키는 트랜스포머를 제거하면 램프 양단에는 직접적으로 구형파가 인가된다. 램프를 구형파로 구동하게 되면 전압, 주파수의 제어가 다소 쉽기 때문에, 램프의 휘도와 방전 특성을 쉽게 해석할 수 있다.
트랜스포머를 사용하지 않고, 구형파 전압을 램프 양단에 직접적으로 인가해 주기 위해 종속연결된 3-스테이지 인버터를 고안하게 되었다. 정현파 구동 방법의 경우는 모든 스위치가 소프트 스위칭을 하기 때문에 인버터 효율이 상당히 높다. 구형파 구동 방법의 경우에는 하드 스위칭으로 인한 스위칭 손실이 심해 인버터 효율은 낮으나, 동일한 전력이 램프에 공급되었을 때, 높은 휘도와 광효율을 얻을 수 있었다.
또한 램프의 휘도 특성을 연구하기 위해, 인버터의 구동전압과 주파수를 동시에 변화시켜 실험을 수행하였다. 실험값에 의해 얻어진 램프 전력과 구동전압, 주파수와의 관계식으로부터 계수와 부호, 차수 등을 고려하면, 구동전압과 주파수를 곱한 변수가 램프 전력의 주요한 펙터임을 알 수 있다. 그리고, 램프 전력이 동일한 경우라도 구동주파수에 따라 램프의 휘도가 달라지는데, 동일한 램프 전력이 공급될 때 가장 높은 휘도를 얻게 되는 구동주파수를 실험 결과 그래프와 관계식을 통해 알아 낼 수 있었다. 궁극적으로 구동전압과 구동주파수가 증가할수록 휘도는 증가하고, 구종전압과 구동주파수를 곱한 변수가 휘도에 주요하게 영향을 미침을 확인할 수 있었다.
램프 전류의 모양과 휘도와의 관계에 대한 연구에서는, 램프와 직렬로 연결되는 인덕터의 값을 변화시켜 램프 전류와 광신호의 파형을 측정할 수 있었다. 램프 전류와 광신호는 그 형태가 상당히 흡사하기 때문에, 광신호 파형의 면적을 크게하는 방향인 전류의 면적을 크게 하면 휘도가 높아지리라 예측되어, 실험을 수행한 결과, 인덕터의 값이 증가할수록 램프 전류의 면적이 증가하였고, 측정된 휘도 또한 증가하였다. 따라서, 외부전극 형광램프를 구형파로 구동하는 경우에는 램프 전류의 면적을 얼마나 크게 제어하느냐에 따라 휘도가 크게 됨을 결론지을 수 있었다.
자가 방전을 이용한 실험에서는 적합한 구동 전력과 전압을 인가해 주어야만 높은 휘도와 광효율이 얻어졌다. 따라서, 자가 방전을 효과적으로 일으키게 하기 위해서는 대전력, 고전압, 저전류 응용에 적용해야 하고, 구동전압을 좀더 높이고 구동주파수는 낮추어 실험하는 것이 요구 되어진다. 수행된 실험들을 바탕으로, 다른 구동 방법에 따라 광신호 파형의 형태가 다음과 같아짐을 요약하였다. 고전압, 저주파수 구동에서는 광인텐시티가 크고, 형광체의 특성인 잔광은 작아지게 된다. 저전압, 고주파수 구동의 경우에는 광인텐시티는 작으나, 큰 잔광을 얻는다. 자가방전 구동 방법에서는 구동주파수가 두배로 증가하는 효과가 있으므로 광인텐시티는 작지만, 매우 큰 잔광을 얻게 된다. 따라서, 광인텐시티와 잔광이 클수록 휘도는 높아지게 됨을 예측할 수 있고, 광인텐시티와 잔광 특성을 모두 크게하는 인버터의 개발이나 스위치의 게이트 신호를 제어하는 방법에 대한 연구가 추후 과제로 남아있다.
