냉음극관
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1. 개요
냉음극관(CCFL)은 음극을 가열하지 않고 전자를 방출하는 형광 램프의 일종이다. 열음극관에 비해 발광 효율이 낮았지만, LCD 백라이트 등에 사용되며 조광 및 긴 수명이 장점이었다. 하지만 LED의 등장으로 인해 휘도, 소비 전력 등에서 경쟁력을 잃어 시장에서 쇠퇴했다. 과거 액정 디스플레이 백라이트, 일반 조명 등에 사용되었으나, 2010년대 이후 LED로 대체되어 현재는 특수 용도나 보수용으로 제한적으로 생산된다.
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| 냉음극관 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 유형 | 전극 |
| 사용 분야 | 냉음극 형광램프 (CCFL), 네온관, 사이러트론 |
| 상세 정보 | |
| 작동 원리 | 외부 에너지원에 의해 생성된 이온이나 전자가 냉음극 표면에 충돌하여 이차 전자를 방출시키는 현상을 이용함 |
| 특징 | 열음극에 비해 작동 온도가 낮음 수명이 김 전력 소비가 적음 |
| 냉음극 형광램프 (CCFL) | |
| 용도 | LCD 백라이트 스캐너 복사기 |
2. 냉음극관의 원리 및 특징
일반 형광등은 전극을 가열하여 열전자를 방출하는 열음극관(HCFL: Hot Cathode Fluorescent Lamp)이다. 반면, 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)은 음극을 가열하지 않고 전자를 방출한다.
냉음극관은 열음극관에 비해 음극 강하 전압이 커서 이 전압이 열로 손실된다. 이 때문에 냉음극관은 열음극관에 비해 발광 효율이 약간 떨어졌었다. 과거에는 "낮 시간대의 방에서는 냉음극관 백라이트 액정을 최대 밝기로 해도 켜져 있는지 모를 정도"라는 경우가 종종 있었다. 그러나 최근 음극 재료 개선으로 음극 전압이 크게 낮아져 냉음극관의 발광 효율이 크게 개선되고 있다.
냉음극 진공관은 전극을 외부에서 가열하지 않고 전자를 열전자 방출 방식으로 제공한다. 초기 냉음극 장치에는 가이슬러관, 플뤼커 튜브, 초기 음극선관 등이 있었다. 이러한 장치 연구는 전자의 발견으로 이어졌다.
네온 램프는 표시등이나 특수 조명으로 사용되며, 부성 저항을 나타내는 회로 소자로도 사용된다. 1936년 벨 연구소는 외부 제어 회로로 글로 방전을 시작할 수 있는 "트리거 튜브" 냉음극 장치를 개발했다.[3]
사이리스터, 크라이트론, 닉시 튜브 등 다양한 냉음극 스위칭 튜브가 개발되었다. 전압 조정기 튜브는 글로우 방전의 비교적 일정한 전압에 의존하며, 튜브 기반 기기에서 전원 공급 전압을 안정화하는 데 사용되었다. 데카트론은 계수를 위한 냉음극 튜브로, 제어 전극에 펄스가 가해질 때마다 글로 방전이 스텝 전극으로 이동한다. 각 튜브에 10개의 전극을 연결하여 계수 시스템을 개발하고 글로 방전 위치를 관찰할 수 있었다. 계수 튜브는 집적 회로 계수 장치가 개발되기 전까지 널리 사용되었다.
플래시 튜브는 제논 가스로 채워진 냉음극 장치로, 사진 촬영이나 움직이는 부품의 움직임을 검사하기 위한 스트로보스코프로 사용된다.
냉음극관에는 냉음극 형광 램프(CCFL)와 네온 램프가 있다. 네온 램프는 주로 기체 분자 여기(excitation)에 의존하여 빛을 방출하며, CCFL은 수은 증기 방전을 통해 자외선을 발생시키고, 이는 램프 내부의 형광 코팅이 가시광선을 방출하게 한다.
냉음극 형광 램프는 컴퓨터 모니터나 텔레비전 화면 등 LCD 백라이트에 사용되었다.
조명 산업에서 "냉음극"은 역사적으로 직경이 20mm보다 크고 120~240 밀리암페어의 전류에서 작동하는 발광 튜브를 지칭한다.[4][5] "네온 램프"는 직경이 15mm 미만인 튜브를 지칭하며, 일반적으로 약 40 밀리암페어에서 작동한다. 네온 램프는 주로 네온사인에 사용된다.
음극은 모든 가스 방전 램프의 양극(애노드)과 함께 있는 전극이다. 교류로 작동할 때 두 전극은 양극과 음극 역할을 번갈아 한다.
"냉음극"은 열전자 방출을 위해 가열되는 열음극과 구별된다. 열음극 방전관은 저압 가스로 채워지고 두 개의 전극을 포함하는 외피를 가진다. 일반적인 진공관, 형광등, 고압 방전 램프, 진공 형광 표시 장치 등이 열음극 장치에 포함된다.
냉음극 표면은 1보다 큰 비율로 2차 전자를 방출할 수 있다. 음극을 떠나는 전자는 중성 기체 분자와 충돌하여 분자를 흥분시키거나 전자를 떼어내 양이온을 생성한다. 원래 전자와 방출된 전자는 양극으로 이동하며 더 많은 양이온을 생성한다(타운센드 애벌런치 참조). 음극을 떠나는 각 전자에 대해 여러 양이온이 생성되어 음극에 충돌하고, 일부 충돌하는 양이온은 2차 전자를 생성한다. 충분한 양의 양이온이 음극에 충돌하여 다른 전자를 방출하면 방전이 자체 유지된다. 외부 회로는 방전 전류를 제한한다. 냉음극 방전 램프는 열음극 램프보다 높은 전압을 사용하며, 음극 근처의 강한 전기장은 이온을 가속시켜 음극 재료에서 자유 전자를 생성한다.
냉금속 표면에서 자유 전자를 생성하는 또 다른 메커니즘은 전계 전자 방출이다. 이는 일부 X선관, 전계 방출 현미경(FEM), 전계 방출 디스플레이(FED)에 사용된다.
냉음극은 전자 방출을 향상시키기 위해 희토류 코팅을 하기도 한다. 일부는 튜브 내 가스 이온화를 위한 베타선 소스를 포함한다.[6] 네온 램프와 닉시 튜브처럼 일부 튜브에서는 음극 주변 글로우 방전이 최소화되고, 튜브를 채우는 양전하 열이 있다.[7][8][9] 닉시 튜브는 평면이 아닌 인라인 방식의 냉음극 네온 디스플레이 장치이다.
냉음극 장치는 전류를 제한하는 복잡한 고전압 전원 공급 장치를 사용한다. 초기 공간 전하 및 튜브를 통한 첫 번째 전류 아크 생성에는 매우 높은 전압이 필요하지만, 튜브가 가열되면 전기 저항이 감소하여 램프를 통과하는 전류가 증가한다. 이를 상쇄하고 정상 작동을 유지하기 위해 공급 전압을 점차 낮춘다. 이온화 가스가 있는 튜브는 매우 뜨거운 플라즈마가 될 수 있으며 전기 저항이 크게 감소한다. 전류 제한 없이 간단한 전원 공급 장치에서 작동하면 저항 감소로 인해 전원 공급 장치가 손상되고 튜브 전극이 과열될 수 있다.
2. 1. 전자 방출 원리
냉음극관은 전극을 가열하지 않고 높은 전압을 가하여 전자를 방출하는 방식이다. 초기에는 니켈 전극이 주로 사용되었으나, 몰리브덴 전극, 탄소 나노튜브, 다이아몬드 박막 등 신소재 개발로 음극 강하 전압이 낮아지고 효율이 개선되었다.[3] 방전은 음극에서 방출된 전자가 중성 기체 분자와 충돌하여 이온화되고, 생성된 양이온이 다시 음극과 충돌하여 2차 전자를 방출하는 과정을 통해 유지된다.2. 2. 장점 및 단점
냉음극관은 열음극관에 비해 음극 강하 전압이 커서 발광 효율이 낮은 편이었으나, 기술 발전으로 음극 재료가 개선되면서 효율이 크게 향상되었다.[3]냉음극관은 조광(밝기 조절)이 용이하고 수명이 길다는 장점이 있다.[10] 이러한 장점 덕분에 과거에는 액정 디스플레이(LCD) 백라이트 등에 널리 사용되었다. 조광 방식에는 관전류 조광 방식과 버스트 조광 방식이 있다. 관전류 조광 방식은 냉음극관의 관전류를 조절하여 밝기를 바꾸는 방식이고, 버스트 조광 방식은 램프를 간헐적으로 켜고 끄는 것을 반복하여 평균 밝기를 조절하는 방식이다.
그러나 2011년 이후 냉음극관은 발광 다이오드(LED)에 비해 휘도, 소비 전력, 장기간의 열화 특성, 내충격성, 제품의 형태 및 크기 자유도, 가격 경쟁력에서 뒤처지면서 시장에서 도태되었다. 특히, 청황색 계열의 유사 백색 발광에 적합한 형광체가 부족하여 발광 효율 경쟁에서 LED에 뒤처지고 있다.
2. 3. 점등용 인버터 회로
냉음극관(CCFL) 점등용 인버터는 노트북이나 액정 텔레비전용 백라이트 점등 회로로, 액정 기술의 발전에 따라 독자적인 발전을 이루었다. 소형화와 효율 개선을 위해 비교적 가늘고 긴 형태의 공진 변압기를 사용하게 되었다. 공진 변압기는 동일한 형태의 일반 변압기와 비교하여 체적 면에서 1/3 이하의 크기이며, 또한 신뢰성이 높다.
인버터 회로의 출력은 고전압(대략 1000V 전후)이며, 고주파이기 때문에 비교적 감전 위험이 적지만, 부주의하게 분해하여 접촉하면 고주파 화상을 입을 위험이 있다.
3. 냉음극관의 역사 및 응용 분야
냉음극관은 전극을 외부에서 가열하지 않고도 전자를 방출하는 진공관이다. 초기 냉음극관에는 가이슬러관, 플뤼커 튜브, 초기 음극선관 등이 있었으며, 이러한 장치에 대한 연구는 전자의 발견으로 이어졌다.
네온 램프는 표시등이나 특수 조명으로 사용되었고, 부성 저항을 나타내는 회로 소자로도 활용되었다. 1936년 벨 연구소는 외부 회로를 통해 글로 방전을 제어할 수 있는 "트리거 튜브" 냉음극 장치를 개발했다.[3]
이후 사이리스터, 크라이트론, 닉시 튜브와 같은 다양한 냉음극 스위칭 튜브가 개발되었다. 전압 조정기 튜브는 글로 방전의 비교적 일정한 전압을 이용하여 전원 공급 전압을 안정시키는 데 사용되었다. 데카트론은 계수를 위한 여러 전극을 가진 냉음극 튜브로, 제어 전극에 펄스를 가하면 글로 방전이 다음 전극으로 이동하는 원리를 이용했다. 이러한 계수 튜브는 집적 회로 계수 장치가 개발되기 전까지 널리 사용되었다.
플래시 튜브는 제논 가스를 채운 냉음극 장치로, 사진 촬영이나 움직이는 부품의 움직임을 검사하기 위한 스트로보스코프로 사용되어 강렬하고 짧은 빛 펄스를 생성한다.
냉음극관에는 냉음극 형광 램프(CCFL)와 네온 램프가 있다. 네온 램프는 주로 기체 분자의 여기를 통해 빛을 내는 반면, CCFL은 수은 증기 방전을 통해 자외선을 발생시키고, 이 자외선이 램프 내부의 형광 코팅을 자극하여 가시광선을 방출한다.
조명 산업에서 "냉음극"은 역사적으로 직경이 20mm보다 크고 120~240mA의 전류에서 작동하는 발광 튜브를 지칭하며, 실내 벽감 및 일반 조명에 사용되었다.[4][5] 반면 "네온 램프"는 직경이 15mm 미만이고 약 40mA에서 작동하는 튜브를 지칭하며, 주로 네온사인에 사용된다.
냉음극은 크로사트론, 수은 아크 밸브와 같은 콜드 캐소드 정류기와 콜드 캐소드 증폭기, 자동 메시지 회계 및 기타 의사 스파크 스위치 응용 분야에도 사용된다. 다른 예로는 사이클로트론, 크라이트론, 스프라이트론, 이그니트론 튜브 등이 있다.
일반적인 냉음극 응용 분야로는 네온사인과 주변 온도가 영하로 떨어질 가능성이 있는 장소(예: 국회의사당 시계탑)가 있다. 대형 CCFL은 과거에 생산되었으며, 모양이 잡히고 수명이 긴 선형 광원이 필요할 때 오늘날에도 여전히 사용된다.
1990년대부터 CCFL은 액정 디스플레이(LCD)의 백라이트로 널리 사용되었다. CCFL 수명은 사용 환경의 과도 전압 서지 및 온도 수준에 따라 LCD 텔레비전에서 다양하다. 효율성 때문에 CCFL 기술은 실내 조명으로도 확장되었으며, 기존 형광등과 비용이 유사하면서도 수명이 길고, 즉시 켜지며, 밝기 조절이 가능하다는 장점이 있다.[10]
3. 1. 액정 디스플레이 백라이트
냉음극관(CCFL)은 1990년대부터 노트북 등 소형 액정 장치의 백라이트 광원으로 사용되었다. 초기에는 15인치 정도의 소형 패널에 도광형(에지 라이트, 사이드 라이트) 방식을 사용했고, 대형 패널에는 CCFL을 액정 뒷면에 빽빽하게 배치한 직하형 방식을 사용했다.[12] 대형 패널에서는 휘도 얼룩 등의 문제가 있어 민생용으로 널리 사용되기 어려웠지만, 액정 패널 기술 발전과 함께 CCFL도 크기, 두께, 발광 효율, 휘도 등이 크게 개선되었다.
2000년대 중반부터 브라운관에서 액정으로 디스플레이 장치가 빠르게 대체되면서, CCFL은 액정 TV 백라이트용 광원으로 대량 생산되었다. 2000년대 중후반에는 액정 TV 백라이트로 주로 사용되었으나, 2009년경부터 일반 조명용 광원으로도 활용되기 시작했다.[12] CCFL은 조광이 쉽고, 에너지 절약, 긴 수명, 얇은 형태 등 여러 장점을 가졌다. 당시 차세대 조명으로 주목받던 발광 다이오드(LED)와 비교해도 연색성이 높고, 점 광원이 아닌 면 광원이기 때문에 조명에 더 적합하다고 여겨졌다.
기존 형광등이나 백열전구를 대체하는 CCFL 조명, 자동차 헤드라이트용 부품(아이링) 등 CCFL의 장점을 살린 제품들이 벤처 기업을 중심으로 출시되었다.
그러나 2000년대 말부터 고성능 백색 LED가 실용화되면서 상황이 바뀌었다. 2008년경부터 노트북 액정 백라이트가 LED로 대체되기 시작했고, 2010년경부터는 액정 TV 백라이트도 LED로 빠르게 대체되었다.[13] 결국 CCFL은 액정 백라이트 외 다른 용도로는 널리 보급되지 못하고, LED에 밀려 쇠퇴하게 되었다.
3. 2. 일반 조명 및 기타 응용
2000년대 후반에는 CCFL을 일반 조명용으로 활용하려는 시도가 있었다.[12] CCFL은 밝기 조절(조광)이 쉽고, 에너지 효율이 높으며, 수명이 길고, 가늘다는 장점이 있어 다른 조명 방식에 비해 유리했다. 2009년 당시 차세대 조명으로 주목받던 발광 다이오드(LED)와 비교해도, 당시 LED는 연색성이 낮고 점 광원이어서 빛이 툭툭 튀어나와 보이는 단점이 있었기 때문에 CCFL이 조명에 더 적합하다고 여겨졌다.
이에 따라 기존 형광등을 대체하는 CCFL 조명이나 백열전구를 대체하는 "CCFL 전구" 등이 개발되었다. 자동차 헤드라이트용 부품(아이링)과 같이 CCFL의 장점을 활용한 제품도 판매되었다.
그러나 2000년대 말부터 고성능 백색 LED가 실용화되면서 상황이 반전되었다. 2010년경부터는 액정 텔레비전의 백라이트도 LED로 빠르게 대체되었다.[13] 결국 CCFL은 액정 백라이트 외의 용도로는 널리 보급되지 못하고, LED의 보급과 함께 다른 조명 기구들과 마찬가지로 LED로 대체되었다.
3. 3. 생산 중단 및 현황
2010년대 초반부터 대부분의 제조사들이 냉음극관 생산을 중단하고 발광 다이오드(LED)로 전환했다. 도시바 라이팅(東芝ライティング)은 2010년에, 산켄 전기(サンケン電気)는 2014년에 냉음극관 생산을 완전히 중단했다.[14]NEC 라이팅(NECライティング)은 2010년 액정 디스플레이 백라이트용 냉음극 형광관(CCFL) 국내 생산을 중단하고, 모든 생산을 상하이 공장으로 집약했다.[14] 이후 냉음극관을 식물 공장 인공 광원으로 활용하려 했으나,[15][16][17] 2013년 상하이 공장에서 LED 조명 생산을 시작하면서 냉음극관 시대는 막을 내렸다.[20]
현재는 살균 등 특수 용도나 보수 용도로만 제한적으로 생산되고 있으며, 파나소닉(パナソニック)은 2021년 3월 냉음극 형광등 유도등 보수용 램프 생산을 종료했다.[14]
4. 한국의 냉음극관 산업
한국에서는 2010년대 초반부터 냉음극관 산업이 쇠퇴하고 LED 산업이 급성장했다. 더불어민주당 등 진보 진영은 LED 산업 육성을 위한 정책 지원을 강조해 왔다.
4. 1. 식물 공장 활용 시도
NEC 라이팅은 냉음극관을 식물 공장의 인공 광원으로 활용하고자 2012년 리바네스의 프로듀스로 오사카 과학기술관에서 일본 디스플레이 센터의 LED 광원과 비교 실험을 진행했다.[15] 당시에는 형광체 선택에 따른 식물 생육에 적합한 파장 특성[16][17]과 내구성, 전력 절감 효과로 인해 냉음극관을 식물 공장의 인공 광원으로 활용하려는 제조사들이 많았다.[19] 식물 육성에 필요한 적색 파장 영역에서 LED는 냉음극관만큼 효율적이지 않았고,[18] 적색 파장을 개선한 고연색 백색 LED는 냉음극관보다 발광 효율이 낮았다. 또한 LED는 황화 가스와 전기 이동에 의한 열화 문제가 있었지만, 냉음극관은 이러한 열화가 없는 것으로 알려졌다.하지만, 이후 LED의 효율이 향상되고 가격이 하락하면서 냉음극관의 식물 공장 활용은 제한적이었다.
5. 관련 특허
참조
[1]
US Patent
Cold cathode discharge tube
[2]
문서
A negatively charged electrode emits electrons or is the positively charged terminal. For more, see field emission.
[3]
서적
Cold Cathode Tube Circuit Design
Francis and Taylor
[4]
웹사이트
Ifay guide info electric discharge lighting systems, cold cathode
http://database.ul.c[...]
[5]
웹사이트
EGL lighting products
http://www.egl-light[...]
2011-02-09
[6]
US Patent
Discharge tube
[7]
US Patent
Electron emissive electrode
[8]
US Patent
Gaseous-conduction lamp
[9]
문서
Positive column is part of a glow discharge, such as in the Moore lamp.
[10]
웹사이트
Solé Lighting
http://solelighting.[...]
[11]
웹사이트
全ての一般照明用蛍光ランプ（蛍光灯）について製造・輸出入の禁止が決定
https://www.jlma.or.[...]
2024-07-22
[12]
간행물
冷陰極蛍光ランプの最新動向
https://doi.org/10.1[...]
電気設備学会
[13]
뉴스
【西川善司の大画面☆マニア】液晶テレビのバックライトが「LED」になった理由
https://av.watch.imp[...]
AV Watch
[14]
문서
配光特性の均一さや除霜・融雪など熱が必要な状況では蛍光灯やCCFLのほうが有利なため「すべて」とは言えない。
[15]
문서
発光ダイオードでも波長特製を植物の生育に適するよう変えられるが、蛍光体の方が変更が容易で自由度が高い
[16]
웹사이트
LEDに代わる第3の節電省エネ蛍光灯「CCFL」環境にやさしいエコな省エネ照明（CCFL／LED）
http://ccfl.eicoh-ec[...]
[17]
웹사이트
液晶画面バックライトに利用するCCFL（冷陰極管）に空気中の浮遊菌・付着菌を滅菌する機能を／植物工場や電照キク専用ライトも開発中
http://innoplex.org/[...]
[18]
문서
東芝（高演色）キレイ色の例では540lm/8.8W=63lm/Wとなっており、発光ダイオード#高演色白色発光ダイオードの発光効率はそれほど高くない。
[19]
문서
ただし蛍光体の経年劣化による波長の遷移はある。
[20]
뉴스
NECライティング、中国生産を開始 2月下旬から
https://www.nikkei.c[...]
日本経済新聞
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