본 논문에서는 전계방출 원리를 이용하여 이미터로서의 성능이 뛰어난 탄소나노튜브 (Carbon Nano Tube)를 이용한 전계방출 면광원용 안정기를 제안한다. 안정기는 고전압 직류전압 부분과 양극의 펄스를 생성하는 부분으로 구성되어 있다. 탄소나노튜브를 이용한 전계방출 램프는 3가지의 전극 (애노드, 게이트, 캐소드)으로 구성되어 있는데, 애노드와 게이트 사이에는 직류 고전압이 공급되고 게이트와 캐소드 사이에는 양극의 펄스가 공급된다. 램프 및 안정기를 보호하기 위하여 과전류, 과전압, 과온도에 대한 보호 기능을 추가하였고, 실험을 통하여 제안된 방식이 탄소나노튜브를 이용한 램프 구동을 위한 적합함을 검증하였다.
본 논문에서는 전계방출 원리를 이용하여 이미터로서의 성능이 뛰어난 탄소나노튜브 (Carbon Nano Tube)를 이용한 전계방출 면광원용 안정기를 제안한다. 안정기는 고전압 직류전압 부분과 양극의 펄스를 생성하는 부분으로 구성되어 있다. 탄소나노튜브를 이용한 전계방출 램프는 3가지의 전극 (애노드, 게이트, 캐소드)으로 구성되어 있는데, 애노드와 게이트 사이에는 직류 고전압이 공급되고 게이트와 캐소드 사이에는 양극의 펄스가 공급된다. 램프 및 안정기를 보호하기 위하여 과전류, 과전압, 과온도에 대한 보호 기능을 추가하였고, 실험을 통하여 제안된 방식이 탄소나노튜브를 이용한 램프 구동을 위한 적합함을 검증하였다.
Hybrid ballast for field emission lamp with CNT (carbon nano tube) emitter is proposed. Hybrid ballast consists of a high voltage dc part and hi-polar pulse generation part. Field emission lamp with CNT lamp is composed of three electrodes (anode, gate, and cathode). High voltage dc part is for anod...
Hybrid ballast for field emission lamp with CNT (carbon nano tube) emitter is proposed. Hybrid ballast consists of a high voltage dc part and hi-polar pulse generation part. Field emission lamp with CNT lamp is composed of three electrodes (anode, gate, and cathode). High voltage dc part is for anode and gate and hi-polar pulse generation part is for gate and cathode in CNT triode respectively. The experimental results demonstrate that the proposed topology is good for driving CNT lamp. To protect the lamp and ballast, OCP (Over Current Protection), OVP (Over Voltage Protection), and OTP (Over Temperature Protection) are added and the experimental results demonstrate that the proposed method is good for driving field emission lamp with CNT emitter.
Hybrid ballast for field emission lamp with CNT (carbon nano tube) emitter is proposed. Hybrid ballast consists of a high voltage dc part and hi-polar pulse generation part. Field emission lamp with CNT lamp is composed of three electrodes (anode, gate, and cathode). High voltage dc part is for anode and gate and hi-polar pulse generation part is for gate and cathode in CNT triode respectively. The experimental results demonstrate that the proposed topology is good for driving CNT lamp. To protect the lamp and ballast, OCP (Over Current Protection), OVP (Over Voltage Protection), and OTP (Over Temperature Protection) are added and the experimental results demonstrate that the proposed method is good for driving field emission lamp with CNT emitter.
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문제 정의
본 논문은 CNT 이미터를 가진 전계방출 램프를 위한 안정기를 제시하였다. CNT를 가진 전계 방출 램프는 3개의 전극으로 구성되고 이를 구동시키기 위한 안정기는 크게 고전압 직류부분과 양극의 펄스를 발생시키는 부분으로 이루어져있다.
제안 방법
1차 측에서부터 2차 측까지의 에너지를 효율적으로 변환하기 위해서 병렬 공진 하프브리지컨버터를 적용하였고, 주파수 제어 방법을 이용하여 줄력직류 전압을 제어하였다.
[<r8]. 따라서 효율과 CNT램프의 짧은 수명을 향상시키기 위하여 3극 구조인 CNT램프에서 게이트와 캐소드 사이에 펄스 전압을, 애노드와 캐소드 사이에는 고전압 직류전압을 공급하는 방식을 적용하였다 [9]. 본 논문에서 제시한 CNT 이미터를 가진 전계방출 램프용 안정기는 그림 1에서 보듯이 3극진공관 CNT 램프를 구동시키기 위해 안정기는 애노드와 캐소드 사이에는 높은 직류 전원 공급원으로 직류 전압을 공급되고, 게이트와 캐소드 사이에는 양극 펄스 전압을 공급하였다.
따라서 효율과 CNT램프의 짧은 수명을 향상시키기 위하여 3극 구조인 CNT램프에서 게이트와 캐소드 사이에 펄스 전압을, 애노드와 캐소드 사이에는 고전압 직류전압을 공급하는 방식을 적용하였다 [9]. 본 논문에서 제시한 CNT 이미터를 가진 전계방출 램프용 안정기는 그림 1에서 보듯이 3극진공관 CNT 램프를 구동시키기 위해 안정기는 애노드와 캐소드 사이에는 높은 직류 전원 공급원으로 직류 전압을 공급되고, 게이트와 캐소드 사이에는 양극 펄스 전압을 공급하였다. 즉, 애노드를 통해 공급되는 높은 직류전압과 게이트를 통해서 공급되는 양극의 펄스 전압을 하나의 안정기에서 동시에 공급하였다.
이를 위하여 게이트와 캐소드 사이에 양과 음의 펄스 전원을 인가하는 양방향 구동 펄스전원 방식을 채택하였고, 이 방식을 적용하게 되면 게이트와 캐소드 사이에 양과 음의 펄스전원이 인가되므로 CNT 램프의 수명이 증가되고, CNT 램프에 흐르는 주 전류가 게이트와 캐소드 사이의 펄스전원에 따라 애노드와 캐소드 또는 애노드와 게이트 사이에서 흐르기 때문에 CNT 램프의 발광 효율이 상승하는 장점이 있다.
본 논문에서 제시한 CNT 이미터를 가진 전계방출 램프용 안정기는 그림 1에서 보듯이 3극진공관 CNT 램프를 구동시키기 위해 안정기는 애노드와 캐소드 사이에는 높은 직류 전원 공급원으로 직류 전압을 공급되고, 게이트와 캐소드 사이에는 양극 펄스 전압을 공급하였다. 즉, 애노드를 통해 공급되는 높은 직류전압과 게이트를 통해서 공급되는 양극의 펄스 전압을 하나의 안정기에서 동시에 공급하였다.
성능/효과
5kV의 승압을 가능하게 하였다. CNT부하에 적용된 6배의 승압 회로에서 최종적으로 15kV의 출력전압을 얻을 수 있었다.
시뮬레이션을 수행한 파형을 보았을 때, 식 (3)을 이용하여 구한 공진 주파수 구간에서의 전압 이득 곡선이 최고치를 이루는 모습을 볼 수 있다. 그리고 전압이득 곡선을 보았을 때, 공진 주파수의 오른쪽 부분에서는 주파수가 증가할 수 록 전압이득이 떨어지는 모습을 관찰할 수 있으며, 이를 통해 주파수를 이용한 출력전압 제어가 가능함을 알 수 있다.
이 실험 파형에서 알 수 있듯이 주파수가 커짐에 따라 출력전압이 감소하는 모습을 알 수 있다. 이는 실제 안정기를 구동하는 주파수가 공진 주파수보다 큰 값을 가지게 됨으로써, 시뮬레이션을 통하여 알게 된 전압이득 곡선의 공진 주파수의 오른쪽 부분의 결과인 주파수가 증가함에 따라 전압 이득이 줄어드는 모습과 일치하는 것을 볼 수 있다. 이때의 실험 조건은 부하로 저항을 달아 실험 한 것으로 효율은 약 85% 이다.
같이 구성된다. 전체 구성의 입력, 출력의 값들을 살펴보면, 역률개선부의 AC/DC 컨버터 입력은 220Vac이며 출력은 390Vdc, 50W의 출력을 가진다. 고전압 직류부의 입력은 390V®이며 출력의 전압은 15kVnc, 전류는 3mArms, 400mApeak, 동작주파수는 65kHz전후로 나타난다.
후속연구
Spindle형태의 몰리브덴을 사용한 이미터 기술은 현장에서 3년 이상 사용되어 오면서 신뢰성과 그 가능성을 입증 받았다 (3) 큰 사이즈의 CNT FED 패널은 개발 중에 있는데, FED는 작거나 중간 크기의 패널 등에 응용 될 뿐만 아니라 큰 크기의 패널에도 사용 될 것이다.
고전압 직류부에서는 설계 시 필요한 각각의 파라미터 값들을 가지고 L-C 공진 등가 회로를 P-Spice 시뮬레이션을 이용하여 전압이득 곡선의 결과와 실제 안정기를 제작하여 구동시킨 공진 주파수와 전압이득 등의 결과가 일치 하는 모습을 관찰할 수 있었다. 또한, 개발된 안정기에 보호회로를 추가하여 면광원 및 안정기를 보호하여 신뢰 성과수명을 향상을 기대할 수 있다. 이 연구는 CNT 면광원의 상업적인 이용을 위한 초기단계이며 현재 시스템효율과 완성도를 높이는 작업을 하고 있다.
참고문헌 (8)
Lee Young-hee, 'The Physical Property and Application of Carbon Nanotube', Sae Mulli (The Korean Physical Society), Vol.51, No. 2, pp. 84-144, August 2005
Cho Jae-chul, Kim Ji-seoung, and Gu Hal-bon , 'Recent Trend of FED (Field Emission Display)', The Journal of The Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 9, No. 9, pp. 964-968, 1996
R.H. Baughman et al, 'Carbon Nanotubes-the route toward application', Science 297, pp. 787-792, 2002
Park Chong-yun, Lee Yang-doo, Ju Byung-kwon, and Jeon Young-jin, 'Development of new lighting source with high efficiency using carbon nanotube', The 18th Workshop of Energy Saving Technology, November 2003
Choi Won-bong, Lee Nae-sung and Kim Jong-min, 'The Field Emission Display using Carbon Nanotube', The Journal of The Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 13, No.5, pp. 44-48, 2003
Chun-tao Lee, Yung-Chiang Lan, Bing-YuoTsui, and Cheng-chung Lee, 'New driving method for triode CNT-FED', Technical digest of IVM 2003, Vol. 05, No.3, pp. 45-46, 2003
Sang-su Kim, Yong-bae Kim, Sin-du Lee, and Jong-duk Lee, 'Display Engineering', 2nd Edition, pp. 426-486, March 2000
Myung-hyo Ryu, Ju-won Baek, Jong-hyun Kim, and Dong-wook Yoo, 'A study on the pulse generator for CNT lamp driving', IECON2006, pp. 2683-2687, 2006
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