형광램프 중에서 냉음극 시동방식을 이용한 냉음극형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp)는 LCD의 백라이트(Backlight) 등에서 사용되고 있으며, LCD시장 규모는 2010년까지 10.4조 엔으로 예상되고 있다. TV용 백라이트의 경우는 현재 수요가 더욱더 증가되고 있으며, TFT-LCD 패널 뒤쪽에서 배면광원으로 사용되고 있다.


BLU(Backlight Unit)는 TFT-LCD의 한 부품이나 자체가 많은 부품으로 구성되어 있기 때문에 독자적인 제품으로 취급되고 있다. 디지털 멀티미디어 기기의 핵심 디스플레이로 부상된 LCD(Liquid Crystal Display)는 PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display) 등과는 달리 자체적으로 발광을 할 수 없기 때문에 LCD 화면 전체를 균일하게 밝혀주는 별도의 발광 유닛이 필요하다.



이 유닛으로 현재 주로 사용되고 있는 대부분의 백라이트는 냉음극형광램프를 광원으로 사용하고 LGP(Light Guide Panel)을 이용하며, 그 기본 구조는 광원인 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp), LGP, 확산필름, 프리즘 반사필름, 램프 커버 등의 구성으로 이루어져 있다. 냉음극형광램프는 수 mm 직경의 Borosilicate 유리관 내부에 보호막 및 형광체를 도포한 후, 양단에 공음극(Hollow Cathode)을 설치하고 50~70torr의 네온(Ne), 및 아르곤(Ar) 가스와 수 mg의 수은(Hg)을 봉입하여 사용한다.


유리관 양단의 전극에 전압을 인가하면 생성된 전기장에 의하여 전자가 가속되는데 가속된 전자가 수은을 여기 시키게 된다. 이때 185nm와 253.7nm의 자외선이 발생하며 이중에서 253.7nm의 자외선이 형광체를 여기하여 가시광선으로 전환· 방사된다.


현재 대부분의 액정 디스플레이 백라이트는 냉음극형광램프를 사용하고 있는데, 열음극형광램프에 비해 세관화가 가능하며 효율은 상대적으로 낮지만 공음극 효과(Hollow Cathode Effect)를 이용하기 때문에 다른 형광램프에 비해 고휘도가 가능할 뿐만 아니라 양산성 및 신뢰성이 이미 검증된 것이 장점으로 작용되고 있다.



이 글에서는 냉음극형광램프의 구조상 요점인 램프 형상에 따른 특성변화, 원부자재인 봉입 가스압, 전극 재질 및 형상에 따른 특성변화 그리고 냉음극형광램프의 온도특성과 수은증기압, 냉음극형광램프에 사용되는 형광체 특성에 관해 살펴보겠다.


램프 형상에 따른 램프 특성 변화

관장(Lamp length)은 램프의 전압과 매우 밀접한 관계를 갖는다. 전압강하는 램프 전압과 양광주 부분의 전압 강하로 나누어지는데 양광주 부분의 전위경도는 전극의 종류 및 관길이에는 관계없이 관경과 전류 및 증기압만 결정되면 나머지 부분은 일정하다. 따라서 관전압은 그 길이에 비례하여 높아지게 된다.

이런 이유로 인하여 램프 길이가 길어질수록 전체의 관전압에 대해서 전압강하가 점유하는 비율은 적게 되어 효율이 좋게 된다.


한편, 전극부분의 전압강하는 전극의 종류에 따라서 틀려지지만 일반적으로 100V 정도가 된다. 그림 1은 램프의 길이와 휘도와의 관계를 나타내고 있다.



봉입 가스압에 따른 램프 특성 변화

냉음극형광램프의 봉입 가스는 Ar, Ne, Kr, Xe 등의 불활성 기체를 2종 이상 혼합하여 봉입하는 것이 효과적이다.


Ne과 같이 준안정전압이 높은 가스를 사용하는 경우에 Ar처럼 전리전압이 조금 낮은 가스를 소량 투입하여 방전 초기 전압을 낮추기 위해서이다. 이는 일반적인 형광등에서도 사용되는 페닝효과를 이용한 것이다.



봉입 가스 압력에는 최적치가 있는데 가스압이 낮을 경우, 전자의 평균자유행정이 크게 되어 전자가 고속으로 관벽 혹은 전극으로 향해 날아가게 되는데 그 사이 수은원자에 충돌하여 이것을 여기하는 확률이 적게 된다.


한편, 가스압이 너무 높으면 평균자유행정이 역으로 작아져서 전자와 기체원자 간의 충돌회수가 너무 많아져 체적손실이 증가하므로 역시 효율이 떨어진다. 따라서 이상의 관벽 손실과 체적 손실과의 합을 더욱 적게하는 최적의 가스압이 존재한다.



일반적인 CCFL의 봉입 가스압인 50~80Torr를 기준으로 가스압이 램프의 특성에 미치는 변화를 간단히 요약하면 다음과 같다.
- 봉입 가스압이 높으면 수명이 길고, 시동전압이 높으며, 휘도가 낮아진다.
- 봉입 가스압이 낮으면 수명이 짧고, 시동전압이 낮으며, 휘도가 높아진다.




봉입 가스압이 낮을수록 램프의 광특성 및 효율은 좋아지지만 CCFL의 사용특성 상 수명은 매우 중요한 요소로 작용하므로, 실제 램프제조회사들은 50~80Torr 정도로 주입하여 50,000시간 이상의 수명을 보장하고 있다.



전극 재질 및 형상에 따른 램프 특성 변화

냉음극형광램프에서 전극(Electrode)은 램프 내에서 전자원(Electron Source)으로 전자를 방출하는 도체 또는 방전류가 흐르는 도체이다. 모든 금속은 진공 상태에서 열을 가하면 전자를 방출하며 일함수(Work Function)가 낮을수록 고휘도, 저발열, 장수명을 얻을 수 있다.


전극은 장시간 점등 중에 고전압에 의하여 스파터링(Sputtering)이 전극의 바닥부분에 집중되어 전극 바닥 부분에 구멍이 뚫릴 우려가 있다. 용융온도가 낮은 전극일수록 스파터링이 심해져 전극에서 비산된 물질과 수은이 화학 반응하여 아말감(Amalgam)을 형성하게 되기때문에 유효수은이 고갈되어 수명이 단축된다.



전극 표면적이 부족하면 전극물질의 스파터링이 증가하고, 수은이 고갈되어 단수명이 된다. 그림 3은 전극 표면적과 수은 소모량의 관계를 보여주고 있다.


이와 같이 전극 손실 저감을 위해서는 전극의 방전 면적을 크게 설계해야 하는데, 전극경이 작을수록 방전 면적이 작아지는 것은 물론이지만, 전극경이 너무 커도 전극과 관내벽과의 간격이 좁아지기 때문에 방전시 전극 측면의 전자방출이 어려워져서 유효방전 면적이 작아지고 음극강하 전압은 높아진다.


한편, 전극 길이가 길면 방전에 관여하지 않는 쓸모없는 무효장이 길어져 기기의 램프의 콤팩트화에 불리하다. 따라서 짧은 전극장을 유지하면서 전극면적을 확보하는 방법으로 컵 모양의 전극이 현재 냉음극형광램프에서 사용되고 있다.



전극의 재질 개선 역시 램프 성능개선의 중요한 부분이다. LCD에서 소비전력의 약 60% 정도를 백라이트에서 소비하고 있다. 고효율 저소비전력의 CCFL 개발을 위해 저일함수의 전극 재질개발이 이루어지고 있다. 아래의 그림은 전극재질 즉 일함수의 변화에 따른 램프전압을 보여주고 있다.



현재 냉음극형광램프의 장척화, 저수은화, 고휘도화 할 경우 수명 확보를 위해 Nb, Mo, W등의 일함수가 낮은 금속재료가 사용되어야 하며 합금형태의 금속 재질 개발도 이루어지고 있다.


쉽게 가공이 가능하다는 이유로 널리 사용되고 있는 Ni은 비교적 높은 일함수를 가지고 있어 음극강화 전압이 높고 이로 인한 수은소모량이 많다. 또한 LCD의 시동전압과 관전압, 암흑시동을 개선하기 위해 희토류 금속 등의 산화물들과 저일함수의 산화물 등이 전극부에 도포되기도 한다.



냉음극 형광램프의 온도특성과 수은증기압

수은(Hg)는 온도 변화에 상당히 민감하여 온도가 낮은 곳으로 응집하는 성질을 갖고 있다. 또한 원자량이 커서 상호 작용력이 강하며, 상온에서는 액체 상태로 존재하기 때문에 증기압도 금속 원자들에 비해 상당히 높다. 온도가 상승하면서 증기압도 비선형으로 증가하게 되는데 램프내 조건인 60Torr의 압력에서는 242℃에서 완전 기화하게 된다. 통상 점등시 관벽 온도는 최대 기준 100℃ 내외이므로 수은 분포가 완전히 변하지는 않으므로 미량의 수은이 기화하여 이동한다.


다른 조건은 모두 일정하다고 가정하고 단지 수은증기압만이 변화한 경우를 생각한다.

수은 증기압은 온도의 영향을 받아 그림 4와 같이 온도가 높아지면 증기압도 높아지게된다.


따라서 수은증기압과 자외선 복사 능률과의 관계를 나타내기 위해 램프를 수 초 안에서 점등하고 물의 온도를 변화시키면서 관벽 온도와 효율의 관계를 구해보면 그림 6과 같은 결과를 얻을 수 있다.


그림에서 알 수 있는 것은 관벽 온도가 40℃ 부근 즉, 수은증기압이 0.005~0.006mmHg 부근에서 능률이 더욱더 좋다는 것이다. 그림 6의 결과에서 세로축은 자외선복사량(%), 가로축은 관벽 온도 ℃ 및 그것에 대응하는 수은증기압(mmHg)이다. 수은증기압이 높아져도 또 낮아져도 능률은 좋지 않다는 것을 알 수 있다. 그 이유는 증기압이 지나치게 낮으면 전자와 수은원자의 충돌하는 기회가 적게 되고, 또 역으로 너무 지나치게 높은 경우에는 자외선 253.7nm가 공명복사선이기 때문에 정상준위의 수은원자에 의해 흡수되어 버리는 양이 많아지기 때문이다.



수은 주입방법으로는 냉음극형광램프 제조 공정 시의 수은 투입의 경우, 관의 세관화로 인해 액상투입이 어려우므로 수은합금을 이용하여 투입하고 있다. 이는 수은합금을 고주파로 가열하여 수은을 확산시키는 방법으로 소량, 정량 투입이 가능하다.


CCFL에 사용되는 형광체 특성

형광체는 자극 발광(파장 253.7nm 부근)을 흡수하여 그 에너지를 방사하는 물질로 발광성을 가져야 하며, 자극 에너지인 수은의 저증기압 방전에 의해 발생한 짧은 자외선 파장을 흡수하여 파장이 긴 가시광선으로 방사하는 물질을 화학적으로 조성시킨 무기물의 복합 산화물이다. 조성은 표 1과 같다.


현재 LCD-TV 시장 확대에 따라, PDP 및 CRT 등 경쟁 매체에 대응하기 위해서는 색 재현범위를 NTSC(National Television System Committee: 미국, 일본, 캐나다 등에서 채택하고 있는 세계 3대 통신 체계 중의 하나) 대비 95% 이상이 요구되고 있다. 따라서 고색재현성(HIGH COLOR GAMUT) CCFL 개발을 추진 일부 상용화 하였으며 향후 계속적인 개발을 진행하고 있다.


그림 8의 고색재현 냉음극형광램프의 스펙트럼을 보면 기존 냉음극 형광램프와는 달리 컬러 필터와 정합성과 RED, GREEN, BLUE 각 부품의 재현 범위가 크게 개선된 것을 볼 수 있다. 그러나 일반 형광체 타입 대비 약30% 정도 휘도가 저하되는 문제점이 발견되고 있다. 이를 개선하기 위해 형광체의 휘도효율개선, 전극의 재질 변경으로 램프효율 및 수명개선, 그리고 냉음극형광램프를 U형으로 하여 양광주(Positive Column)를 증가시켜 발광효율을 개선하고 있다. 또 다른 문제점으로 휘도 유지율이 일반 형광체 타입 대비 약 10% 정도 저하되는 문제점이 발생하고 있으나, 휘도유지율향상을 위해 보호막 코팅(유리관벽 및 형광체 입자) 및 형광체 개선(Blue 형광체 열화특성 개선) 등으로 해결책을 모색하고 있다.


냉음극형광램프 내부에 도포되어 있는 형광체는 열화에 의해 휘도(Brightness) 및 색좌표(Color Coordinate: x, y)가 변화되며 부활제(Activator)의 농도 감소 및 열화 현상으로 인해 색순도와 해상도의 저하, 발광세기 저하, 색좌표의 이동이 발생한다.


Hg→ Hg* ＋ Hg0 → Hg0＋λ (식 1)
λ=185nm(12%)
254nm(85%)
360/405/436/546/577nm(3%)

형광체 열화란 수은 진공 램프에서의 수은 방전과 같이, 수은 파장 중 약 12% 정도 발생되는 185nm 자외선에 의해 광화학적 분해로 방전된 후 활성화된 수은 원자와 반응하여, 냉음극형광램프 내부 조성물 중 특히 유리관 내부에 함유되어 있는 Sodium (Na) 이온의 확산과 내부온도 300℃까지 상승으로 인하여 제 2상을 형성한다. 이러한 현상은 결정구조정밀해석 X-레이+Neutron(Rietveld+MEED)과 스펙트럼해석(PL, EPR, XPS, EXAFS, XANES)으로 확인할 수 있다, RGB 중 열화에 취약한 Blue 형광체의 경우에는, Eu2+ 도펀트 위치와 고용한계의 양 계산 열화로 인한 제 2상의 존재 확인 및 정량계산으로도 알 수 있다.


소성된 형광체가 열화에 의해 특성 저하되는 것을 적게 하기 위해서 여러 가지의 방법이 사용 된다. 널리 이용되는 처리법으로는 형광체입자에 입자 형태나 필름막 형태로 코팅하는 방법이 있다. 표면 처리물을 부착하여 얻을 수 있는 효과로는, 형광체 표면 보호막 적용으로 인한 수명향상과 발광 효율 향상으로 휘도 향상, 형광막 제조시 막의 도포성 향상으로 수율향상 등이 있다. 표면 부착물에 요구하는 특성으로는 화학적 변화에 비활성일것이다. 발광 영역에서의 높은 투과도, 여기원(Excitation Source)에 대한 높은 투과도(전자선이나 진공 자외선) 그리고, 형광체와의 강한 부착력 등이 있다.


소성된 형광체의 열화를 방지하는 또 하나의 방법으로는 수은 방전에 의해 조사되는 UV로 형광체 열화 피해를 줄이는 것으로, 냉음극형광램프의 유리관에 금속산화물을 박막형태로 도포하는 방법이 이용되기도 한다. 냉음극형광램프의 유리관 내벽에 보호막을 적용하면 휘도 및 수명 유지율향상과 유리관(Glass tube)의 흑화 방지 형광체의 열화 방지 효과 및 수은 소모량 감소 효과를 이룰 수 있다.

글 : 함훈 팀장 / 금호전기주식회사 CCFL연구팀


[ 입력 : 2007-01-02 오전 10:34:59 | 지면발행 : 2007년 1월호 48쪽]