JP4923110B2 - Fluorescent discharge lamp tube and LCD display device with new structure - Google Patents
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Description
本発明は、電子の非弾性衝突によりアルゴン (Ar) と水銀 (Hg) 蒸気の混合ガスを発光させ、その内のHgが発光する強い254 nm不可視紫外線を蛍光放電灯管内壁面に塗布した蛍光膜により可視光に変換する蛍光放電灯管に関係し、更に詳細には、蛍光放電灯管の基本構造を変えることにより、放電灯管の点灯に必要な電力が、従来の蛍光放電灯管に比し低消費電力の点灯であるにも関わらず、従来の蛍光放電灯管の輝度の倍以上の高輝度で発光する新規蛍光放電灯管及びそれを利用したLCD表示装置に関係する。 The present invention emits a mixed gas of argon (Ar) and mercury (Hg) vapor by inelastic collision of electrons, and applies fluorescent 254 nm invisible ultraviolet light emitted from Hg therein to the inner wall surface of the fluorescent discharge lamp tube. It relates to a fluorescent discharge lamp tube that converts it into visible light by means of a membrane. More specifically, by changing the basic structure of the fluorescent discharge lamp tube, the power required for lighting the discharge lamp tube can be reduced in the conventional fluorescent discharge lamp tube. The present invention relates to a novel fluorescent discharge lamp tube that emits light with high luminance more than double the luminance of a conventional fluorescent discharge lamp tube and an LCD display device using the same, although it is lit with low power consumption.
[従来放電灯と本発明の概説]
従来の蛍光放電灯管の放電は、放電に必要な電子を冷陰極電極 (CCFL)か、熱陰極電極 (HCFL) から取り出していた。これ等の電極に共通する事項は、電極から取り出した電子が高エネルギーを持ち、ガス空間に強引に突入させる方式であるから、電子がガス放電に必要なエネルギー値に減少するまでの間に複雑な現象が介入し、大きな陰極電圧降下を引き起こしていたことである。この陰極電圧降下は発光に全く関与しないので完全なエネルギー損失となる。前記ガス放電に必要なエネルギー値は管全体の点灯に要するエネルギーの約40%である。本発明では、ガス放電に必要な電子を金属電極から取り出すのでなく、ガス放電管の両端に電子雲とイオン雲をそれぞれ形成し、ガス放電は電子雲から取り出された電子が放電管中を移動する過程で起こり、イオン雲に至った電子がイオンと再結合してガスに戻る。このガス帰還により、放電管内で電子雲とイオン雲を駆動源とした回路は閉じる。電子雲から取り出された電子のエネルギーはゼロに近く、前記陰極電圧降下はなくなる。その結果、同じ管径の放電灯と比較した時、本発明になる蛍光放電灯管は40%以下の電力で点灯する。[Outline of the conventional discharge lamp and the present invention]
In the discharge of a conventional fluorescent discharge lamp tube, electrons necessary for the discharge are taken out from a cold cathode electrode (CCFL) or a hot cathode electrode (HCFL). The matter common to these electrodes is a method in which electrons taken out from the electrodes have high energy and forcefully enter the gas space, so it is complicated until the electrons are reduced to the energy value necessary for gas discharge. This phenomenon caused a large cathode voltage drop. Since this cathode voltage drop is not involved in light emission at all, it becomes a complete energy loss. The energy value required for the gas discharge is about 40% of the energy required for lighting the entire tube. In the present invention, instead of taking out the electrons necessary for gas discharge from the metal electrode, an electron cloud and an ion cloud are formed at both ends of the gas discharge tube, respectively. In the gas discharge, electrons taken from the electron cloud move through the discharge tube. The electrons that have reached the ion cloud recombine with the ions and return to the gas. By this gas feedback, the circuit using the electron cloud and ion cloud as the driving source is closed in the discharge tube. The energy of the electrons extracted from the electron cloud is close to zero, and the cathode voltage drop is eliminated. As a result, when compared with a discharge lamp having the same tube diameter, the fluorescent discharge lamp tube according to the present invention is lit with a power of 40% or less.
電極構造を変えたことにより、本発明では、蛍光放電灯の管端で陰極電圧降下による弱い蛍光膜の発光は消える。その結果、本発明になる蛍光放電灯管は、放電灯の管端から全面に亘って均一強度で発光する。従来の蛍光放電灯管では陰極電圧降下の範囲で発光により無駄な熱を発生していたが、本発明になる蛍光放電灯管では熱発生が無くなり、管端周辺の温度上昇はない。また、ガスに露出した金属電極が無くなるので、本発明になる蛍光放電灯管の寿命は非常に長くなる。 By changing the electrode structure, in the present invention, the light emission of the weak fluorescent film due to the cathode voltage drop disappears at the tube end of the fluorescent discharge lamp. As a result, the fluorescent discharge lamp tube according to the present invention emits light with uniform intensity over the entire surface from the tube end of the discharge lamp. In the conventional fluorescent discharge lamp tube, wasteful heat is generated by light emission in the range of the cathode voltage drop, but in the fluorescent discharge lamp tube according to the present invention, no heat is generated and the temperature around the tube end does not increase. In addition, since the metal electrode exposed to the gas is eliminated, the life of the fluorescent discharge lamp tube according to the present invention becomes very long.
従来の蛍光放電灯管のガス放電には、長い間未解決な一大問題があった。即ち、ガス放電の点灯に関与する機構が不明であったため、種々の細工が経験則だけに頼り蛍光放電灯管の点灯に適用されてきたに過ぎない。本発明者は、ガス放電の点灯に関与する機構を初めて解明した。ガス放電の点灯に関与する重要因子は、蛍光膜上を移動する表面電導電子の制御である。ガス放電の点灯の問題は、蛍光放電灯管内に塗布する蛍光体の選択と、選択した蛍光体粒子の配列で解決する。その結果、本発明になる蛍光放電灯管は1ミリ秒前後で瞬時に点灯する特徴を有する。 The gas discharge of the conventional fluorescent discharge lamp tube has been an unsolved major problem for a long time. In other words, since the mechanism involved in the lighting of the gas discharge is unknown, various work has been applied only to lighting of the fluorescent discharge lamp tube based on empirical rules. The present inventor has elucidated for the first time the mechanism involved in the lighting of the gas discharge. An important factor involved in the lighting of the gas discharge is the control of the surface electroconductive element moving on the phosphor film. The problem of gas discharge lighting is solved by selecting the phosphor to be applied in the fluorescent discharge lamp tube and the arrangement of the selected phosphor particles. As a result, the fluorescent discharge lamp tube according to the present invention has a feature that it is turned on instantaneously in about 1 millisecond.
蛍光放電灯管には、入力電力を増加させても蛍光膜の輝度が飽和する現象があり、この飽和現象の問題は未解決のまま50年余放置されていた。この飽和現象が蛍光放電灯管の輝度を制限し、必要な部屋の照度を得るのに多数の蛍光放電灯を配列する必要があった。本発明はこの問題も解決する。蛍光膜の最上層に配列する蛍光体粒子の持つ負電荷のクーロン反発力により、陽光柱の電子は蛍光膜に接近できず、陽光柱は蛍光膜の負電荷(SBE)の鞘に収まる。蛍光膜からSBE鞘を取り去れば、陽光柱は蛍光膜まで広がり、蛍光膜からの光出力は入力電力に比例するようになる。輝度の増加により、部屋の照明に使用する蛍光放電灯数を減少でき、省電効果は大きく、二酸化炭素ガスの節減で大いに環境保護に貢献する。 In the fluorescent discharge lamp tube, there is a phenomenon that the luminance of the fluorescent film is saturated even when the input power is increased, and the problem of this saturation phenomenon has been left unsolved for more than 50 years. This saturation phenomenon limits the luminance of the fluorescent discharge lamp tube, and it is necessary to arrange a large number of fluorescent discharge lamps in order to obtain the required room illuminance. The present invention also solves this problem. Due to the negative charge Coulomb repulsive force of the phosphor particles arranged in the uppermost layer of the fluorescent film, the positive column electrons cannot approach the fluorescent film, and the positive column fits in the negative charge (SBE) sheath of the fluorescent film. If the SBE sheath is removed from the fluorescent film, the positive column extends to the fluorescent film, and the light output from the fluorescent film becomes proportional to the input power. By increasing the brightness, the number of fluorescent discharge lamps used for room lighting can be reduced, the power saving effect is great, and the carbon dioxide gas saving greatly contributes to environmental protection.
[発明の背景]
人類の生活は暗闇を照らす光源の開発により急激に進歩してきた。光源の歴史は焚き火の燃え差しから始まった松明、植物油、石油、蝋燭、石炭ガス等の燃焼と進み照度の向上を果たしてきた。光源の照度変革の歴史を大きく変えたのは、近代科学の基礎となる電子の発見であった。電子の発見後は、電子の動きを利用したタングステン電球と蛍光放電灯が開発され世界中で広く実用に供されている。最近では同じく電子の挙動を利用する発光ダイオード(LED)、無機電界発光(EL)、有機電界発光(OLED)が提案され、その実用評価が進められている。電子の挙動を利用した各種光源は科学的に以下のように評価できる。[Background of the invention]
Human life has advanced rapidly due to the development of light sources that illuminate the darkness. The history of the light source has improved the illuminance with the burning of torches, vegetable oil, oil, candles, coal gas, etc. that started from the embers of the bonfire. The discovery of electrons, which is the basis of modern science, greatly changed the history of light source illumination. After the discovery of electrons, tungsten bulbs and fluorescent discharge lamps that use the movement of electrons have been developed and are widely used throughout the world. Recently, light-emitting diodes (LEDs), inorganic electroluminescence (EL), and organic electroluminescence (OLED), which also use the behavior of electrons, have been proposed and their practical evaluation is underway. Various light sources using the behavior of electrons can be scientifically evaluated as follows.
タングステン電球は、電子の動きの抵抗から発生するジュール熱によりタングステン金属を高温度(3,000 oC 付近まで)に加熱して得られる光を利用する。入力電力に対する可視光へのエネルギー変換効率は0.8%と低いが、変換効率を金属の軟化点である高温度まで保持できるので入力電力の増減により広範囲の光度が得られる。この理由で現在でも屋内外の照明光源として広範囲で利用されている。最も大きな使用者は一般家庭である。タングステン電球は最も安価に製造できる光源で、世界の多くの家庭で手軽な照明光源として使用されている。短所は短寿命 (500時間)である。加熱した金属は蒸発するので、点灯時間が経過するとタングステンフィラメント線が細くなり、電気抵抗の増加により断線する。Tungsten bulbs use light obtained by heating tungsten metal to a high temperature (up to about 3,000 ° C) by Joule heat generated from resistance of electron movement. Although the energy conversion efficiency to visible light with respect to the input power is as low as 0.8%, since the conversion efficiency can be maintained up to a high temperature that is the softening point of the metal, a wide range of luminous intensity can be obtained by increasing or decreasing the input power. For this reason, it is still widely used as an indoor and outdoor illumination light source. The largest user is a general household. Tungsten bulbs are the cheapest light source that can be manufactured and are used as an easy lighting source in many homes around the world. The disadvantage is short life (500 hours). Since the heated metal evaporates, the tungsten filament wire becomes thinner as the lighting time elapses, and breaks due to an increase in electrical resistance.
蛍光放電灯は、Hgガスの不可視紫外線発光を、ガラス管内壁面に塗布した蛍光膜により可視光に変換した光源で、エネルギー変換効率は約20%である。問題はタングステン電球とは異なり、蛍光膜の発光強度が入力に対し飽和し、1蛍光放電灯当たりから取り出す光量に限界がある。飽和輝度の水準が低いので、高輝度の照明を必要とする部屋では、多数の蛍光放電灯を配列する。タングステン電球よりも高価であるが、エネルギー変換効率が高く、熱の発生が少ないので、工業化社会の大きなビル内の事務室の主照明に使われる。工業化が進んでいる国では、省電照明光源として一般家庭の部屋に普及している。蛍光放電灯の寿命は主に電子を放射する電極の陽イオンによるスッパターに原因する。その他に蛍光膜表面が蛍光放電管内の有機残留ガスを吸着し、紫外線が蛍光膜に届く前に吸着ガス層が紫外線を吸収する。有機残留ガスは蛍光放電灯管の製造工程の脱ガス工程の程度と、HgアマルガムとBaゲッターの活性化初期に大量の有機ガスが発生すので、活性化時の排気条件で大きく変わり、無視出来る水準まで減少できる。現在の蛍光放電灯の寿命はタングステン電球よりも長く約2,000時間前後である。 The fluorescent discharge lamp is a light source that converts invisible ultraviolet light emission of Hg gas into visible light by a fluorescent film coated on the inner wall surface of a glass tube, and has an energy conversion efficiency of about 20%. The problem is that, unlike a tungsten bulb, the emission intensity of the fluorescent film is saturated with respect to the input, and the amount of light that can be extracted from one fluorescent discharge lamp is limited. Since the level of saturation luminance is low, a large number of fluorescent discharge lamps are arranged in a room that requires high luminance illumination. Although it is more expensive than tungsten bulbs, it has high energy conversion efficiency and generates less heat, so it is used for the main lighting of offices in large industrialized buildings. In countries where industrialization is progressing, it is widely used as a power-saving lighting source in ordinary household rooms. The lifespan of a fluorescent discharge lamp is mainly caused by a sputter due to positive ions of electrodes that emit electrons. In addition, the surface of the fluorescent film adsorbs organic residual gas in the fluorescent discharge tube, and the adsorbed gas layer absorbs ultraviolet rays before the ultraviolet rays reach the fluorescent film. Organic residual gas can be neglected because it varies greatly depending on the degree of degassing process in the manufacturing process of fluorescent discharge lamp tubes and a large amount of organic gas at the beginning of activation of Hg amalgam and Ba getter, so it varies greatly depending on the exhaust conditions at the time of activation It can be reduced to the level. The life of current fluorescent discharge lamps is about 2,000 hours longer than tungsten bulbs.
LEDは近代電子産業技術の1応用例として開発された。LEDは無機元素の薄膜を多層に重ね合わせた素子で作られる。LEDを発光させるにはLEDの薄膜層に電子を注入し、発光中心(不純物)で注入電子と正孔が再結合したときに発光する。LEDの問題は注入電子の約半数が発光に寄与するが、残り半数の電子は発光中心で発光できず、熱に変換する。発光強度は注入する電子数に比例するが、LEDの温度も比例して高温度になる。LEDを70 oC前後に加熱しても発光強度の経時変化は無視できる。LEDを100 oC以上に加熱すると薄膜中の発光中心(不純物)が熱により薄膜内から薄膜外に拡散するので発光中心数が時間の経過と共に減少する。発光強度は温度と時間の経過により急激に減少する。実用LED輝度の操作条件では、LEDは200 oC前後になる。眼が輝度を視認する時に現れる残像効果を利用し、パルス発光で温度上昇を防ぐが、本質的な解決策でない。発熱の問題を基本から変えることはできない。明るいLEDは寿命に問題が残る。LEDs were developed as an application of modern electronics industry technology. An LED is made of a device in which thin films of inorganic elements are stacked in multiple layers. To make an LED emit light, electrons are injected into the thin film layer of the LED, and light is emitted when the injected electrons and holes recombine at the emission center (impurity). The problem with LEDs is that about half of the injected electrons contribute to light emission, but the other half of the electrons cannot be emitted at the light emission center and are converted to heat. The emission intensity is proportional to the number of electrons injected, but the LED temperature also increases proportionally. Even if the LED is heated to around 70 ° C, the change in emission intensity over time is negligible. When an LED is heated to 100 ° C. or more, the number of luminescent centers decreases with time because the luminescent centers (impurities) in the thin film diffuse from the thin film to the outside of the thin film due to heat. The emission intensity decreases rapidly with temperature and time. Under practical LED brightness operating conditions, the LED will be around 200 ° C. Although an afterimage effect that appears when the eye visually recognizes brightness is used to prevent temperature rise by pulse emission, this is not an essential solution. The problem of fever cannot be changed from the basics. Bright LEDs remain a problem in life.
ELも無機材料素子の薄膜の積層で作られ、動作原理はLEDと同じで注入電子と正孔が発光中心で再結合して発光する。各薄膜層の厚みはLEDよりも遥かに厚いので、ELを発光させるには高電圧の印加が必要である。発光強度は入力電圧に比例して増減する。ELの主課題は、高輝度を得ようとすると薄膜層が放電破壊する。放電破壊がELの最大輝度を規制する。寿命の問題は発光中心の拡散による輝度劣化である。ELの研究開発は50年余も続けられ、その間、実用化製品が何回も新聞発表されたが、上記した問題は本質的に改善されず、製品は市場に出ること無く消えた。この繰り返しがアジアの国々の大企業から発生しているが、欧米の大企業からは無い。OLEDはELと同種の問題を持ち、明るいOLEDの連続点灯では寿命が問題となる。OLEDを低照度で使用するとき問題が低減されるので、使用範囲が限定される。 EL is also made of a stack of thin films of inorganic material elements. The principle of operation is the same as that of LEDs, and injected electrons and holes recombine at the emission center to emit light. Since the thickness of each thin film layer is much thicker than that of an LED, it is necessary to apply a high voltage to make the EL emit light. The emission intensity increases or decreases in proportion to the input voltage. The main issue of EL is that the thin film layer breaks down when trying to obtain high brightness. Discharge breakdown regulates the maximum brightness of EL. The problem of the lifetime is luminance degradation due to diffusion of the emission center. EL research and development has continued for over 50 years, during which time commercialized products were published in newspapers many times, but the above problems were not essentially improved and the products disappeared without entering the market. This repetition has occurred from large companies in Asian countries, but not from large Western companies. OLED has the same type of problem as EL, and the lifetime is a problem with continuous lighting of bright OLED. Since the problem is reduced when using OLED at low illumination, the range of use is limited.
上記したように開発提案されている照明光源のどれもが実用化には主要な問題が解決されていない。現実に残る照明光源は、蛍光放電灯である。蛍光放電灯の開発研究は50年余と長く、更に蛍光放電灯の基本となる放電の科学的研究は100年以上と長い。この事実から蛍光放電灯の技術は開発済みと一般投資家と企業経営者は考える。本発明者は、現在までに確立した放電理論を最も基礎から再検討し、検証を試みた。その結果、蛍光放電灯の技術は開発済みとするコメントは誤りであり、蛍光放電灯の基本構造から改良が出来ることが分かった。 As described above, none of the illumination light sources that have been proposed for development has solved the major problems in practical use. The illumination light source that remains in reality is a fluorescent discharge lamp. Research and development of fluorescent discharge lamps has been as long as 50 years, and scientific research on the basic discharge of fluorescent discharge lamps has been as long as 100 years. From this fact, general investors and corporate managers think that fluorescent lamp technology has been developed. The present inventor reexamined the discharge theory established up to now from the basics and tried to verify it. As a result, it was found that the comment that the technology of the fluorescent discharge lamp has been developed is incorrect, and that the basic structure of the fluorescent discharge lamp can be improved.
放電現象を述べる前に、私たちが必要とする光源照度について考える。闇を明るく照明しても、夜行性でない人類の主活動は500万年の間、昼間の活動であり、現在の私達の眼も昼間の明るさに順応している。だが、眼は晴天の昼間の風景には順応せず、昼間の薄曇りの明るさに順応している。光は波動を持った光子であり、光子のエネルギーは波長により異なる。平均値は、2.3 eVのエネルギーを持った緑色の光である。昼間の風景は薄曇りの日中の照度で決められ、その照度は単位面積当たり単位時間に1020個前後の光子の照射に相当する。1eVのエネルギーは 3.7 x 10-19 Wであるので、80 W/cm2 秒のエネルギーとなる。照明光源は上記した光子数を放射する光源が最も眼に順応する。開発された光源の必要入力は、エネルギー変換効率を80 W/cm2 秒に積算すれば計算できる。そのような光源として,種々の光源が開発されて来た。それらの中で蛍光放電灯は最も適合した光源として選択され、過去60年余の間大衆に受け入れられてきた。しかし蛍光放電灯管一本当たりの照度は要求照度より低く、実用では複数の蛍光放電管を配列し、最適照度の照明を作っている。蛍光放電灯管一本当たりの照度を向上できれば、照明に使用する蛍光放電灯管数が減少し、それに従って消費電力も減少する。また消費電力の節減を目的に、不要時の蛍光放電灯管を頻繁に点滅するようになったので、電極の損傷が速い。これ等の問題解決に対し多くの努力が払われて来たが、満足度からはかなり遠く、蛍光放電灯管の画期的な改良が待たれている。Before describing the discharge phenomenon, we will consider the light source illuminance we need. Even if the darkness is brightly lit, the main activity of humanity that is not nocturnal is a daytime activity for 5 million years, and our current eyes adapt to the daytime brightness. However, the eyes do not adapt to sunny daytime scenery, but adapt to the light cloudiness of daytime. Light is a photon with a wave, and the energy of the photon varies depending on the wavelength. The average value is green light with an energy of 2.3 eV. The daytime landscape is determined by the illuminance during the light cloudy day, which corresponds to the irradiation of around 10 20 photons per unit area per unit time. Since the energy of 1 eV is 3.7 x 10 -19 W, the energy is 80 W / cm 2 seconds. As the illumination light source, the light source that emits the number of photons described above is most adapted to the eye. The required input of the developed light source can be calculated by integrating the energy conversion efficiency to 80 W / cm 2 seconds. Various light sources have been developed as such light sources. Among them, the fluorescent discharge lamp has been selected as the most suitable light source and has been accepted by the public for more than 60 years. However, the illuminance per fluorescent discharge lamp tube is lower than the required illuminance. In practice, a plurality of fluorescent discharge tubes are arranged to produce illumination with the optimum illuminance. If the illuminance per fluorescent discharge lamp tube can be improved, the number of fluorescent discharge lamp tubes used for illumination decreases, and the power consumption decreases accordingly. In addition, for the purpose of reducing power consumption, the fluorescent discharge lamp tube is frequently blinked when not needed, so that the electrode is quickly damaged. Much effort has been devoted to solving these problems, but it is far from satisfactory, and a breakthrough improvement in fluorescent discharge lamp tubes is awaited.
現在使用されている蛍光放電灯管の構造は非常に簡単である。真空封止したガラス管内には適量のArガスとHgが含まれ、金属電極がガラス管の両端に内蔵され、ガラス管の内壁には紫外線を可視光に変換する蛍光膜が塗布されている。金属電極は金属棒の電導体を介して外部電源と接続する。放電は金属電極にサイン波の交流高電位を印加し、金属電極から電子を真空中に取り出し、取り出した電子を加速し、放電管の両端にある電極間の空間に介在するArとHgガスに衝突させ、放電を引き起こす。放電では励起Hgガスが放射する不可視の254 nm紫外線(UV)の発生が大切な働きを持つ。放射した不可視UV 光は放電灯管の内壁面に塗布した蛍光膜上に照射する。蛍光膜が不可視UV 光を可視光に変換し、蛍光放電灯管が作られる。構造が簡単なことから各部品の最適化が蛍光放電灯管の技術者により進められた。蛍光放電灯管の市販から60年余が経過し、年間の生産量も膨大であるので、蛍光放電灯管に関与する技術は開発済みと一般に考えるのも無理がない。だが前記最適化は確立された構造を前提とする範囲内の最適化であり、蛍光放電灯管の基本構造の検討はされていない。 The structure of the fluorescent discharge lamp tube currently used is very simple. An appropriate amount of Ar gas and Hg are contained in the vacuum-sealed glass tube, metal electrodes are incorporated at both ends of the glass tube, and a fluorescent film for converting ultraviolet light into visible light is applied to the inner wall of the glass tube. The metal electrode is connected to an external power source via a metal rod conductor. Discharge applies a sine wave alternating high potential to the metal electrode, takes out the electrons from the metal electrode into a vacuum, accelerates the extracted electrons, and causes Ar and Hg gas to intervene in the space between the electrodes at both ends of the discharge tube. Collide and cause discharge. In discharge, the generation of invisible 254 nm ultraviolet (UV) radiation from the excited Hg gas plays an important role. The emitted invisible UV light is irradiated onto the fluorescent film applied to the inner wall surface of the discharge lamp tube. The fluorescent film converts invisible UV light into visible light, creating a fluorescent discharge lamp tube. Since the structure is simple, the optimization of each part was advanced by the engineers of fluorescent discharge lamp tubes. Since more than 60 years have passed since the sale of fluorescent discharge lamp tubes, and the annual production volume is enormous, it is not unreasonable to generally consider that the technology involved in fluorescent discharge lamp tubes has been developed. However, the optimization is an optimization within the scope of the established structure, and the basic structure of the fluorescent discharge lamp tube has not been studied.
前記蛍光放電灯管の駆動は、固体素子や液体中の電導からの類推により蛍光放電灯管内への電子の注入が本質的に必要と考えられた。真空中に電子を放射する材料は近代科学が始まる1800年代から見出され、仕事関数が小さい金属が探索された。1884年にはT. A. Edison により金属を加熱すると熱電子が真空中に放射されることが発見された。熱電子放射を改善する大発見は、800 oC に加熱したタングステンフィラメントを超酸化物 (Ca-, Sr-, Ba- or Cs-酸化物)で覆うと熱電子が容易に放射される発見である。特にBa-酸化物が最も良く熱電子を放射する。蛍光放電灯管の陰極にBa-酸化物で覆われたタングステンフィラメントが採用された。フィラメントの大きさから管径が25 mm以上の蛍光放電灯管が開発され、熱陰極放電管(HCFL)として普及した。1928年には、金属と真空の間にFlower-Nordheimトンネル効果が発見され、金属電極の形状として金属板、金属棒、釣鐘型、表面の凹凸等で検討された。その結果、釣鐘型の金属電極が採用された。金属電極は小さく加工できるので、金属電極の管径が15 mm以下にまで小さくなり、特に液晶ディスプレイ(LCD)のバックライト用として内径が2mm以下の冷陰極蛍光放電灯管(CCFL)が普及している。In order to drive the fluorescent discharge lamp tube, it was considered that injection of electrons into the fluorescent discharge lamp tube was essentially necessary by analogy with conduction in a solid state device or liquid. Materials that emit electrons in a vacuum were discovered in the 1800s when modern science began, and metals with low work functions were sought. In 1884, TA Edison discovered that when a metal was heated, thermionic electrons were emitted into the vacuum. A major finding to improve thermionic emission is the discovery that thermal electrons are easily emitted when a tungsten filament heated to 800 ° C is covered with superoxide (Ca-, Sr-, Ba- or Cs-oxide). is there. In particular, Ba-oxide emits thermionic electrons best. A tungsten filament covered with Ba-oxide was adopted as the cathode of the fluorescent discharge lamp tube. Fluorescent discharge lamps with a tube diameter of 25 mm or more were developed due to the size of the filament, and became popular as hot cathode discharge tubes (HCFLs). In 1928, the Flower-Nordheim tunnel effect was discovered between metal and vacuum, and the shape of the metal electrode was examined using metal plates, metal rods, bell-shaped, surface irregularities, etc. As a result, bell-shaped metal electrodes were adopted. Since the metal electrode can be made small, the tube diameter of the metal electrode is reduced to 15 mm or less, and cold cathode fluorescent lamps (CCFL) with an inner diameter of 2 mm or less have become widespread, especially for liquid crystal display (LCD) backlights. ing.
上記した金属陰極を使用した蛍光放電灯管の電極では、HCFLとCCFLに関係なく、金属陰極素材が蒸発する問題が存在する。陰極電極の蒸発は次のように説明される。ガス中から質量の大きな陽イオンが陰極に衝突する。陽イオンの衝突により、金属電極の極小部分では金属が蒸発する高温度にまで瞬時に加熱される。蒸発した金属元素は温度が低い電極周辺のガラス管内壁に塗布した蛍光膜上に堆積する。この現象をスパッタリングと呼ぶ。金属元素のスパッタリングで出来た薄膜内には、放電管内にあるArガスとHg蒸気が吸着され、蛍光放電灯管内のガス量の減少が点灯時間の経過により進み、蛍光放電灯管の寿命を短くする。スパッタリング現象により蛍光放電灯管の寿命は平均2,000時間である。金属陰極電極のスパッタリング現象を低減する方法として、電極金属材料と封入ガス圧が経験的に検討されて来たが、それでは問題を基本から解決するに至らない。 In the electrode of the fluorescent discharge lamp tube using the metal cathode described above, there is a problem that the metal cathode material evaporates regardless of HCFL and CCFL. The evaporation of the cathode electrode is explained as follows. Cations having a large mass collide with the cathode from the gas. Due to the collision of cations, the minimum portion of the metal electrode is instantaneously heated to a high temperature at which the metal evaporates. The evaporated metal element is deposited on the fluorescent film applied to the inner wall of the glass tube around the electrode having a low temperature. This phenomenon is called sputtering. The Ar gas and Hg vapor in the discharge tube are adsorbed in the thin film formed by sputtering of the metal element, and the decrease in the amount of gas in the fluorescent discharge lamp tube progresses as the lighting time elapses, extending the life of the fluorescent discharge lamp tube. shorten. Due to the sputtering phenomenon, the life of a fluorescent discharge lamp tube is 2,000 hours on average. As a method for reducing the sputtering phenomenon of the metal cathode electrode, the electrode metal material and the enclosed gas pressure have been empirically studied. However, this does not solve the problem from the basics.
HCFLとCCFLは共通した多くの未解決問題を抱えている。大きな問題の1つは、金属電極を使用した蛍光放電灯管の陰極と陽極の直前の狭い距離で印加電圧が大きく変化する現象である。印加電圧が急激に変化する範囲では、発光と無発光の縞が8個観測される。発光縞は最初の観測者の名前が付けられている。それらは、Aston dark, Cathode glow, Crooke’s dark, Negative Glow, Faraday dark, Positive Column, Anode Glow, Anode Darkである。これ等の縞の説明は一応与えられているが、それは観測現象の説明の域を出ず、発光縞が発生する科学的根拠は解明されていない。これ等の不規則発光が発生するのは陰極側で顕著である。この陰極周辺の印加電圧の急激な変化を総称して陰極電圧降下と呼ぶ。陰極電圧降下で失われるエネルギーは、蛍光放電灯管の全点灯エネルギーの40 %前後になり、陰極電圧降下の解消が省電蛍光放電灯管の開発の点で重要課題となっているが、原因が未解明であるので解決の目途はたっていない。上記したスパッタリング現象と陰極電圧降下の解消が蛍光放電灯管の改良の重要研究課題であるが、出版専門書を読んでもこれらの現象が発生する科学根拠は明確でなく、観測した現象の説明で終わる。発生原因が理解できないので未解決課題である。蛍光放電灯管の技術は、基本の所で開発が出来ていない。本発明者はガス放電に現れる陰極電圧降下とスパッタリングの課題を科学的に追及した。 HCFL and CCFL have many common open issues. One of the major problems is a phenomenon that the applied voltage changes greatly at a narrow distance just before the cathode and anode of a fluorescent discharge lamp tube using a metal electrode. In the range where the applied voltage changes rapidly, eight light emission and no light emission stripes are observed. The emission stripe is named after the first observer. They are Aston dark, Cathode glow, Crooke ’s dark, Negative Glow, Faraday dark, Positive Column, Anode Glow, Anode Dark. The explanation of these stripes is given for the time being, but it does not go beyond the explanation of the observation phenomenon, and the scientific basis for the generation of the emission stripes has not been elucidated. Such irregular light emission is remarkable on the cathode side. This sudden change in the applied voltage around the cathode is collectively referred to as a cathode voltage drop. The energy lost by the cathode voltage drop is around 40% of the total lighting energy of the fluorescent discharge lamp tube, and the elimination of the cathode voltage drop is an important issue in the development of a power-saving fluorescent discharge lamp tube. However, there is no prospect of a solution because it is unclear. Eliminating the above-mentioned sputtering phenomenon and cathode voltage drop is an important research subject for improvement of fluorescent discharge lamp tubes. However, even if you read a publication book, the scientific basis for the occurrence of these phenomena is not clear. End. It is an unresolved issue because the cause of occurrence cannot be understood. The technology of the fluorescent discharge lamp tube has not been developed at the basic point. The inventor has scientifically pursued the problem of cathode voltage drop and sputtering appearing in gas discharge.
[本発明者による解明と思想]
図8に、従来放電灯管においてSBEが金属陰極表面に形成される理由が図解されている。今までのガス放電に関する出版物書籍で欠落していたのは、金属陰極から放射された電子eと、電子を放射した後に金属中に残る正孔(電子の抜け穴)hの働きがガス放電に果たす作用である。現在の固体物理が教える事実は、金属陰極30から電子eを真空中に取り出すと、金属には正孔hが必ず残る。金属は電気導体であるので、正孔は電源から供給される電子で直ちに満たされると仮定している。此処に従来の思考の誤りがあった。電源から金属電極30に供給される電子は、金属の電気抵抗により妨げられ(オームの法則)、瞬時に金属電極の正孔に到達しない。電源からの電子供給と金属陰極30から真空中への電子放射の間に時間差がある。統計的に処理すると電子eを放出する陰極金属表面には、正孔存在量が陰極金属材料の電気抵抗値により変わるが、無視できない量の正孔hが定常的に存在する。その結果、金属表面層にある正孔hと真空中に放射された電子eが静電気力で強く引き合い、真空中の電子が再結合する。[Elucidation and thought by the inventor]
FIG. 8 illustrates the reason why SBE is formed on the surface of the metal cathode in a conventional discharge lamp tube. What has been missing in previous books on gas discharge is the function of the electrons e emitted from the metal cathode and the holes (electron through holes) h remaining in the metal after emitting the electrons in the gas discharge. It is an effect to fulfill. The fact that current solid state physics teaches that when an electron e is taken out from a
金属表面層にある正孔hの正電界は真空中に及ぶ。放射された真空中の電子eは金属表面層の正孔hの正電界に引き寄せられるが、金属中に再突入するエネルギーを持たず、金属表面から僅かに離れた位置(約5μm)の真空中で金属電極中の正孔hと結合する。これが表面結合電子 (SBE, surface-bound-electrons)である。蛍光放電灯管中の金属陰極表面はSBEで覆わる。SBEを真空側から見ると、SBEは陰極表面に存在する空間電子雲として、真空管研究の初期 (1900s) に検出されていた。 The positive electric field of holes h in the metal surface layer extends into the vacuum. The emitted electron e in the vacuum is attracted to the positive electric field of the hole h in the metal surface layer, but does not have the energy to re-enter into the metal, and in a vacuum slightly away from the metal surface (about 5 μm). It couple | bonds with the hole h in a metal electrode. This is the surface-bound-electrons (SBE). The surface of the metal cathode in the fluorescent discharge lamp tube is covered with SBE. When SBE was seen from the vacuum side, SBE was detected as a space electron cloud existing on the cathode surface in the early stage of vacuum tube research (1900s).
最近出版されたCathodoluminescence and Photoluminescence; Theories and Practical Applications, CRC Press, Taylor and Francis Group, Boca Raton, London, New York, pp30-37と69-76, 2007(非特許文献 1)によれば、陰極表面に形成されるSBEの負電位は、陰極線発光の蛍光膜で蛍光膜に照射される電子線エネルギーと発光強度の関係の測定から推測できる。SBEの大きさは 106 eV/cmである。陰極表面から電子を取り出すにはSBEの負電位よりも大きな正電位を電子に印加しなければ取り出せない。高エネルギーで取り出された電子は、高速に加速されている。教科書に書かれている放電現象の研究は,高エネルギーを持った電子をガス空間に突入させた時の現象であり、観測結果の全てが必要以上の高速電子の挙動で隠蔽されている。According to the recently published Cathodoluminescence and Photoluminescence; Theories and Practical Applications, CRC Press, Taylor and Francis Group, Boca Raton, London, New York, pp30-37 and 69-76, 2007 (Non-Patent Document 1) The negative potential of SBE formed in the above can be inferred from the measurement of the relationship between the electron beam energy irradiated to the fluorescent film and the emission intensity with the cathode-ray emitting fluorescent film. The size of SBE is 10 6 eV / cm. In order to extract electrons from the cathode surface, a positive potential larger than the negative potential of SBE must be applied to the electrons. Electrons extracted with high energy are accelerated at high speed. The research on the discharge phenomenon described in textbooks is a phenomenon when electrons with high energy enter the gas space, and all of the observation results are hidden by the behavior of faster electrons than necessary.
ガス空間には、中性原子のガスが相互作用を持たない距離(原子の波動関数の重なりが無視できる距離)で充填されている。個々のガス原子は、原子核を取り巻く多数の電子殻を充填した電子の総負電荷と核の陽電荷が均衡し、個々のガス原子は電気的に中性である。しかし、ガス空間は原子の最外殻電子の負電界 ( 5 x 105 eV ) が広がっており、ガス空間は強い負電界で充満している。ガス空間の負電界(5 x 105eV)以上の高エネルギー(106eV)を持ってガス空間に突入した電子は、電子殻を満たした電子で遮蔽されたガス原子の中に突入できず、ガス原子と多数回の非弾性衝突を繰り返し、最外殻にある電子を真空中に弾き出す。ガス原子のイオン化には熱を伴うので、多数のガス原子を熱の発散を伴いながらイオン化する。蛍光放電灯の陰極周辺の温度が高くなる理由である。イオン化して出来た電子とイオンの電荷量(1.6 x 10-19 クーロン)は同じであるが、質量に大きな差がある。電子の質量は 9.1 x 10-29グラム、イオンの質量は原子の種類により多少変わるが、1.7 x 10-24グラム前後で電子の約1,000倍である。電子はガスに印加された電場で容易に移動するが、イオンの移動は遅く少ない。電子とイオンの移動距離の差が、ここでは詳細な理由に触れないが、前記した陰極前面の発光縞を作る。The gas space is filled with a distance at which neutral gas does not interact (a distance at which the overlapping of the wave functions of the atoms can be ignored). Each gas atom balances the total negative charge of electrons filling the many electron shells surrounding the nucleus and the positive charge of the nucleus, and each gas atom is electrically neutral. However, in the gas space, the negative electric field (5 x 10 5 eV) of the outermost electrons of the atom spreads, and the gas space is filled with a strong negative electric field. Electrons entering the gas space with high energy (10 6 eV) greater than the negative electric field (5 x 10 5 eV) in the gas space cannot enter the gas atoms shielded by the electrons filling the electron shell. Repeats inelastic collisions with gas atoms a number of times, and ejects electrons in the outermost shell into a vacuum. Since ionization of gas atoms involves heat, a large number of gas atoms are ionized with heat dissipation. This is the reason why the temperature around the cathode of the fluorescent discharge lamp increases. The amount of charge (1.6 x 10 -19 coulombs) between the ionized electron and the ion is the same, but there is a large difference in mass. The mass of the electron is 9.1 x 10 -29 grams, and the mass of the ion varies somewhat depending on the type of atom, but it is about 1,000 times that of the electron at around 1.7 x 10 -24 grams. Electrons move easily with an electric field applied to the gas, but ions move slowly and slowly. The difference between the movement distances of electrons and ions does not touch on the detailed reason here, but creates the above-described emission stripes on the front surface of the cathode.
ここで指摘しておかなければならないのは、ガス放電の研究初期にガス放電は不可視のガスからの光の放出(discharge)と定義されたことである。この理由により、ガス放電の研究は放電管からの光の強弱を測定し、その結果で放電が論じられて来た。光の測定だけでは放電の科学的解明は困難である。上記してきたようにガスの放電は、ガス媒体中に入った電子とガス原子の相乗作用で決まる電子の挙動で解析されなければならない。この新しい視点で蛍光放電灯管の特性を解析すると、今まで解決不能とされてきた問題が解決できることが分かった。現在の蛍光放電灯管の製造技術は未完成である。 It should be pointed out here that in the early days of gas discharge research, gas discharge was defined as the discharge of light from an invisible gas. For this reason, gas discharge research has measured the intensity of light from a discharge tube, and as a result, discharge has been discussed. Scientific analysis of electric discharge is difficult by measuring light alone. As described above, the discharge of gas must be analyzed by the behavior of electrons determined by the synergistic action of electrons and gas atoms entering the gas medium. Analyzing the characteristics of a fluorescent discharge lamp tube from this new viewpoint, it was found that the problems that could not be solved up to now can be solved. The manufacturing technology of the current fluorescent discharge lamp tube is incomplete.
蛍光放電灯管の特性はガス中の電子の挙動で決まると述べた。電子の挙動を決めるもう1つの大切な因子が、蛍光放電灯管の従来の特性検討で脱落していた。蛍光放電管中の内壁面に塗布される蛍光膜中の個々の蛍光体粒子の物性である。従来蛍光膜はガスが発光した不可視のUV光を可視光に変化する働きだけが考慮されてきた。本発明者の研究によれば、個々の蛍光体粒子の物性は、発光現象だけに関係するものではない。個々の蛍光体粒子は、結晶化した粒子であり、それも非対称な結晶構造を持った結晶であり、放電管内に置かれると、結晶としての物性が現れ、ガス放電中の電子の挙動に顕著な影響を与える。実用されている蛍光体粒子が非対称な結晶構造を持つ理由としては、非対称な結晶格子点を占有した発光中心は、対称場に置かれた発光中心で許容されない電子遷移が許容になり、許容になった電子遷移確率が異常に高いことである。これが市販されている蛍光体の発光特性が異常に高い理由である。だが、固体物理を研究している研究者の多くは、蛍光体粒子は単結晶でなく、結晶軸を多数含んだ多結晶体であり、結晶欠陥が多数含まれた結晶粒子であると考えている。即ち、結晶欠陥が多数含まれた結晶には固体物理の知識は適用されないと判断する。この判断は誤りである。Chemical Review, Volume 103, No. 10, pp 3835-3855, 2003に発表された論文(非特許文献 2)によれば、発光中心の電子遷移を決める結晶場の大きさは、非常に狭い範囲(半径500 Å)の結晶場の完成度であり、粒子全体の結晶性とは無関係である。市販されている蛍光体粒子形状が不規則であっても、蛍光体粒子が同じ効率で発光する理由である。蛍光体粒子は多結晶体であり、多結晶体で粒子径の最適化が塗布条件から決められている。 He stated that the characteristics of fluorescent lamps are determined by the behavior of electrons in the gas. Another important factor that determines the behavior of electrons has been lost in the conventional examination of fluorescent discharge lamp tubes. It is the physical property of each fluorescent substance particle in the fluorescent film applied to the inner wall surface in a fluorescent discharge tube. Conventionally, the fluorescent film has been considered only for the action of changing the invisible UV light emitted from the gas into visible light. According to the inventor's research, the physical properties of individual phosphor particles are not only related to the luminescence phenomenon. Each phosphor particle is a crystallized particle, which is also a crystal having an asymmetric crystal structure. When placed in a discharge tube, the physical properties of the crystal appear, and the behavior of electrons during gas discharge is remarkable. Will have an impact. The reason why the phosphor particles in practical use have an asymmetric crystal structure is that an emission center that occupies an asymmetric crystal lattice point allows an electron transition that is not allowed in the emission center placed in a symmetric field, which is acceptable. The probability of electronic transition is abnormally high. This is the reason why the emission characteristics of commercially available phosphors are abnormally high. However, many researchers who are studying solid state physics think that phosphor particles are not single crystals, but are polycrystalline with many crystal axes and crystal grains with many crystal defects. Yes. That is, it is determined that knowledge of solid state physics is not applied to a crystal containing many crystal defects. This judgment is incorrect. According to a paper published in Chemical Review, Volume 103, No. 10, pp 3835-3855, 2003 (Non-Patent Document 2), the size of the crystal field that determines the electron transition at the emission center is very narrow ( This is the completeness of the crystal field with a radius of 500 mm, and is independent of the crystallinity of the whole particle. This is the reason why phosphor particles emit light with the same efficiency even if the commercially available phosphor particle shapes are irregular. The phosphor particles are polycrystalline, and the optimization of the particle diameter of the polycrystalline particles is determined from the coating conditions.
外部紫外線光源を使用し、実在する蛍光体を実験室で調べると、市販蛍光体で最も効率よく発光する蛍光体は、市販電子線発光(CL)蛍光体である。しかし、蛍光放電灯管の管壁に市販CL蛍光体を塗布しても、明るい蛍光放電灯管は得られない。従って、明るく発光する蛍光放電灯管の蛍光膜用蛍光体は、経験的に見つけ出された蛍光体である。経験則で得た結果の理論的解析が欠如している。それ故、選択した多くの蛍光体はUV光で発光中心を直接励起する蛍光体(PL蛍光体)である。何故PL蛍光体を使用するかの理論回答は、例えばオーム社発行の蛍光体ハンドブックを調べても見つからない。 When an external ultraviolet light source is used and the actual phosphor is examined in the laboratory, the phosphor that emits light most efficiently among the commercially available phosphors is a commercially available electron beam emission (CL) phosphor. However, even if a commercially available CL phosphor is applied to the tube wall of the fluorescent discharge lamp tube, a bright fluorescent discharge lamp tube cannot be obtained. Therefore, the fluorescent film phosphor of the fluorescent discharge lamp tube that emits bright light is an empirically found phosphor. There is a lack of theoretical analysis of the results obtained with the rule of thumb. Therefore, many of the phosphors selected are phosphors (PL phosphors) that directly excite the emission center with UV light. The theoretical answer why the PL phosphor is used cannot be found, for example, by examining the phosphor handbook published by Ohm.
市販PL蛍光体を蛍光放電灯管の内壁に塗布した蛍光放電灯には、次の問題が未解決である。金属陰極から取り出した高エネルギーの電子を使用しても、蛍光放電灯管内のガスは容易に放電をしない。ガス放電を容易にする工夫が蛍光放電灯管の点灯器具に加えられてきたが、瞬時放電する蛍光放電灯は開発されていない。ガス中を一方向に進む電子の速度は2 x 105 cm/secと計算され、非常に速い。何故、陰極と陽極の一方向を高速で進む電子で蛍光放電灯が瞬時に放電しないのかの科学解析が完全に欠如し、理論回答が得られていない。経験則だけが先行する技術者と技能者の段階に留まっている。The following problems remain unsolved in a fluorescent discharge lamp in which a commercially available PL phosphor is applied to the inner wall of a fluorescent discharge lamp tube. Even when high-energy electrons taken out from the metal cathode are used, the gas in the fluorescent discharge lamp tube is not easily discharged. A device for facilitating gas discharge has been added to a lighting device for a fluorescent discharge lamp tube, but a fluorescent discharge lamp for instantaneous discharge has not been developed. The speed of electrons traveling in one direction in the gas is calculated as 2 x 10 5 cm / sec, which is very fast. This is because the scientific analysis of whether the fluorescent discharge lamp does not discharge instantaneously by electrons traveling at high speed in one direction of the cathode and the anode is completely lacking, and no theoretical answer has been obtained. Only rules of thumb remain at the level of leading engineers and technicians.
未解決の問題は更にある。放電した蛍光放電灯管の入力を増加させた時、光出力は容易に飽和する。蛍光膜粒子層に入射するUV光は、蛍光体粒子の高い光屈折率(n ? 2)により、蛍光膜の最上位に配列した蛍光体粒子表面で先ず反射し、反射UV光が蛍光膜の下部に配列した蛍光体粒子にも到達する。蛍光膜で発光に関与する実効蛍光体粒子数は実験的に求められる。実効蛍光体粒子数に含まれる発光中心数を計算することができる。計算された発光中心数は、蛍光膜上に照射されるUV光の光子数の約10倍である。蛍光放電灯管内で蛍光膜の発光中心の励起数は飽和していない。輝度が飽和するのは、蛍光膜上に到達するUVの光強度である。それなのに蛍光放電灯管の技術者達は蛍光膜の輝度上昇を蛍光体の発光効率の向上(2から3 %)に期待する。この思考は誤りである。蛍光膜に照射されるUV光が飽和しない対策が必要であるが、UV光の飽和現象を定量的に論じた論文は見当たらない。 There are more open issues. When the input of the discharged fluorescent discharge lamp tube is increased, the light output is easily saturated. The UV light incident on the phosphor film particle layer is first reflected on the surface of the phosphor particles arranged at the top of the phosphor film due to the high refractive index (n? 2) of the phosphor particles, and the reflected UV light is reflected on the phosphor film. It also reaches the phosphor particles arranged in the lower part. The number of effective phosphor particles involved in light emission in the phosphor film is experimentally determined. The number of emission centers included in the number of effective phosphor particles can be calculated. The calculated number of emission centers is about 10 times the number of photons of UV light irradiated on the fluorescent film. The excitation number of the emission center of the fluorescent film is not saturated in the fluorescent discharge lamp tube. The brightness is saturated by the intensity of the UV light that reaches the fluorescent film. Nevertheless, fluorescent discharge lamp technicians expect an increase in the brightness of the phosphor film to improve the luminous efficiency of the phosphor (2 to 3%). This thought is wrong. Although it is necessary to take measures to prevent the UV light irradiating the fluorescent film from being saturated, there are no papers that quantitatively discuss the phenomenon of UV light saturation.
本発明者の研究によれば、放電管中の電子挙動は蛍光膜の最上層に配列した蛍光体粒子の電気特性に大いに影響を受ける。放電管中の電子挙動を制御するもう1つの重要因子は、適切な蛍光体の選択と、蛍光体粒子を適切に配列した蛍光膜である。これ等の解決には前出の参考文献 1に記されている蛍光体の物性知識が必要である。
According to the inventor's research, the electronic behavior in the discharge tube is greatly influenced by the electrical properties of the phosphor particles arranged in the uppermost layer of the phosphor film. Another important factor for controlling the electronic behavior in the discharge tube is the selection of an appropriate phosphor and a phosphor film in which phosphor particles are appropriately arranged. In order to solve these problems, knowledge of the physical properties of the phosphor described in
上記したように、蛍光放電灯管は基本構造から改良できる。本発明になる蛍光放電灯管は、従来解決不能とされた蛍光放電灯管の全問題を科学的に解決するものである。その結果、蛍光放電灯管の輝度が著しく向上し、部屋の適切照明に必要な蛍光放電灯管数を減少できる。その上で蛍光放電灯管の点灯時間はその桁数を増加できる水準で長く出来るので、蛍光放電灯管の生産単価は他のどの照明光源よりも安価になる。蛍光放電灯管の構造を簡単化できるので製造工程は短縮する。これ等を総合すると、本発明になる蛍光放電灯は省電に大いに寄与でき、社会要求の高いCO2ガス放出を低減でき、環境保護に貢献する影響は大きい。非特許文献3〜非特許文献6については後述する。As described above, the fluorescent discharge lamp tube can be improved from the basic structure. The fluorescent discharge lamp tube according to the present invention scientifically solves all the problems of the fluorescent discharge lamp tube that have been conventionally unsolvable. As a result, the brightness of the fluorescent discharge lamp tube is remarkably improved, and the number of fluorescent discharge lamp tubes necessary for proper illumination of the room can be reduced. In addition, since the lighting time of the fluorescent discharge lamp tube can be increased at a level where the number of digits can be increased, the production unit price of the fluorescent discharge lamp tube is cheaper than any other illumination light source. Since the structure of the fluorescent discharge lamp tube can be simplified, the manufacturing process is shortened. Taken together, the fluorescent discharge lamp according to the present invention can greatly contribute to power saving, can reduce CO 2 gas emission with high social demand, and has a great influence on environmental protection.
以上詳述したように、従来の蛍光放電灯管には次のような課題が山積している。第1に、陰極周辺における急激な陰極電圧効果であり、このエネルギー損失は蛍光放電灯管の全点灯エネルギーの40%前後にも達する。第2に、前記陰極電圧降下により、電極近傍における発光と無発光の縞状模様が生じて暗くなり、全体的に照度が低下していた。第3に、放電ガスの陽イオンが陰極に衝突して金属陰極が蒸発し、蒸発膜が蛍光膜上に形成されて放電ガスを吸着し、放電寿命及び蛍光放電灯管の寿命を低減させる原因となっている。第4に、蛍光放電灯管一本当たりの照度は要求照度よりかなり低く、実用では多数の蛍光放電管を配列する必要が生じ、省エネルギー化が困難になり、コスト低減の限界となっている。第5に、電源をオンした後、放電が開始して点灯するまでにかなりの時間を要し、急速点灯の障害となっている。 As described in detail above, the following problems are piled up in conventional fluorescent discharge lamp tubes. First, there is an abrupt cathode voltage effect around the cathode, and this energy loss reaches about 40% of the total lighting energy of the fluorescent discharge lamp tube. Secondly, due to the cathode voltage drop, light emission and non-light emission stripes in the vicinity of the electrode are generated and darkened, and the illuminance is reduced as a whole. Third, the positive ions of the discharge gas collide with the cathode, the metal cathode evaporates, and the evaporation film is formed on the fluorescent film to adsorb the discharge gas, thereby reducing the discharge life and the life of the fluorescent discharge lamp tube. It has become. Fourth, the illuminance per fluorescent discharge lamp tube is considerably lower than the required illuminance, and in practice, it is necessary to arrange a large number of fluorescent discharge tubes, making it difficult to save energy and limiting the cost. Fifth, after the power is turned on, it takes a considerable time from the start of discharge to lighting, which is an obstacle to rapid lighting.
従って、本発明の目的は、蛍光放電灯管の作動原理を根底から再検討して、陰極電圧降下を無くして省エネルギーに貢献でき、同時に電極近傍の明暗の縞状模様を無くして照度の向上を図ることである。また、本発明の更なる目的は、金属陰極の損耗が無く、蛍光放電灯管一本当たりの照度を格段に向上させ、急速点灯を可能とする蛍光放電灯管を提供し、またこの蛍光放電灯管を利用したバックライト装置を有するLCD表示装置(液晶表示装置)を提供することである。 Therefore, the object of the present invention is to fundamentally review the operating principle of a fluorescent discharge lamp tube, eliminate the cathode voltage drop and contribute to energy saving, and at the same time, improve the illuminance by eliminating the bright and dark striped pattern near the electrode. It is to plan. A further object of the present invention is to provide a fluorescent discharge lamp tube that does not wear the metal cathode, greatly improves the illuminance per fluorescent discharge lamp tube, and enables rapid lighting, and this fluorescent discharge. An LCD display device (liquid crystal display device) having a backlight device using a lamp tube is provided.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の第1の形態は、蛍光放電灯のガラス管内壁面に蛍光膜を塗布した蛍光放電灯管である。当該蛍光放電灯管は、
前記ガラス管内に、
電位が付与される対向する一対の電極と、
前記一対の電極のそれぞれの表面に設けられ、前記電極に前記電位が付与されることによって分極する非対称性の結晶構造を有する電気絶縁体粒子を含む結晶粒子層と、
前記一対の電極間に設けられたガス空間と、を有する。
The present invention has been made to solve the above problems, and a first embodiment of the present invention is a fluorescent discharge lamp tube in which a fluorescent film is applied to the inner wall surface of the glass tube of the fluorescent discharge lamp . The fluorescent discharge lamp tube is
In the glass tube,
A pair of opposing electrodes to which a potential is applied;
A crystal particle layer including electrical insulator particles provided on the respective surfaces of the pair of electrodes and having an asymmetric crystal structure that is polarized by applying the potential to the electrodes;
And a gas space provided between the pair of electrodes.
本発明の第2の形態は、前記電気絶縁体粒子が蛍光体粒子である、蛍光放電灯管である。 The second aspect of the present invention is a fluorescent discharge lamp tube in which the electrical insulator particles are phosphor particles .
本発明の第3の形態は、前記電気絶縁体粒子が、Y 2 O 3 、Y 2 O 2 S、YVO 4 、YPO 4 、ZnS、ZnO、(Y,Gd) 2 O 3 、(Y,Gd)BO 3 、Y(P,V)O 4 、LaPO 4 、及び、BaMgAl 10 O 17 の群の中から選択された材料を含む、蛍光放電灯管である。 According to a third aspect of the present invention, the electrical insulator particles are Y 2 O 3 , Y 2 O 2 S, YVO 4 , YPO 4 , ZnS, ZnO, (Y, Gd) 2 O 3 , (Y, Gd ) A fluorescent discharge lamp tube comprising a material selected from the group of BO 3 , Y (P, V) O 4 , LaPO 4 , and BaMgAl 10 O 17 .
本発明の第4の形態は、前記電気絶縁体粒子が、ファンデルワールス力により前記電極に付着している、蛍光放電灯管である。 A fourth aspect of the present invention is a fluorescent discharge lamp tube in which the electrical insulator particles are attached to the electrode by van der Waals force .
本発明の第5の形態は、前記電気絶縁体粒子が、前記一対の電極に層状に積層されて設けられている、蛍光放電灯管である。 A fifth aspect of the present invention is a fluorescent discharge lamp tube in which the electrical insulator particles are provided in a layered manner on the pair of electrodes .
本発明の第6の形態は、前記蛍光膜の表面に、負電荷を持たない蛍光体粒子と負電荷を持った蛍光体粒子を交互に配置させている、蛍光放電灯管である。 A sixth aspect of the present invention is a fluorescent discharge lamp tube in which phosphor particles having no negative charge and phosphor particles having a negative charge are alternately arranged on the surface of the phosphor film .
本発明の第7の形態は、前記蛍光放電灯管のガラス管内壁面に塗布される前記蛍光膜が、電子線発光蛍光体粉と光発光蛍光体粉の混合粉体からなる蛍光放電灯管である。 The seventh aspect of the present invention is a fluorescent discharge lamp tube in which the fluorescent film applied to the inner wall surface of the fluorescent discharge lamp tube is made of a mixed powder of electron-emitting phosphor powder and light-emitting phosphor powder. is there.
本発明の第8の形態は、前記光発光蛍光体粉が個別に三色に発光する三種類の希土類光発光蛍光体粉からなり、前記電子線発光蛍光体粉が低電圧電子線発光蛍光体粉からなる蛍光放電灯管である。 According to an eighth aspect of the present invention, the light-emitting phosphor powder comprises three kinds of rare earth light-emitting phosphor powders that individually emit light in three colors, and the electron-emitting phosphor powder is a low-voltage electron beam phosphor. This is a fluorescent discharge lamp tube made of powder.
本発明の第9の形態は、前記希土類光発光蛍光体粉の内、緑色に発光する蛍光体粉がCL発光珪酸亜鉛蛍光体粉で置換される蛍光放電灯管である。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a fluorescent discharge lamp tube in which phosphor powder that emits green light among the rare earth light-emitting phosphor powder is replaced with CL light-emitting zinc silicate phosphor powder.
本発明の第10の形態は、前記希土類光発光蛍光体粉の内、緑色に発光する蛍光体粉がCL発光珪酸亜鉛蛍光体粉とPL発光珪酸亜鉛蛍光体粉の混合粉体で置換される蛍光放電灯管である。 In the tenth aspect of the present invention, among the rare earth light-emitting phosphor powders, the phosphor powder emitting green light is replaced with a mixed powder of CL light-emitting zinc silicate phosphor powder and PL light-emitting zinc silicate phosphor powder. This is a fluorescent discharge lamp tube.
本発明の第11の形態は、前記蛍光膜で、前記低電圧電子線発光蛍光体の粒子を、前記蛍光膜の表面に不連続に散布するように配置した蛍光放電灯管である。 An eleventh aspect of the present invention is a fluorescent discharge lamp tube in which the particles of the low-voltage electron-emitting phosphor are arranged discontinuously on the surface of the fluorescent film.
本発明の第12の形態は、前記蛍光膜が、単独で白色に発光する光発光蛍光体粉と低電圧電子線発光蛍光体粉の混合粉体からなる蛍光放電灯管である。 A twelfth aspect of the present invention is a fluorescent discharge lamp tube in which the fluorescent film is made of a mixed powder of light-emitting phosphor powder that emits white light alone and low-voltage electron beam-emitting phosphor powder.
本発明の第13の形態は、前記蛍光膜が、白色に光発光する前記光発光蛍光体がハロ燐酸カルシウム蛍光体からなる蛍光放電灯管である。 According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a fluorescent discharge lamp tube in which the light emitting phosphor that emits white light is a calcium halophosphate phosphor.
本発明の第14の形態は、前記蛍光膜に、赤色発光を補強する電子線発光酸化イットリウム蛍光体が追加的に添加された蛍光放電灯管である。 A fourteenth aspect of the present invention is a fluorescent discharge lamp tube in which an electron beam light emitting yttrium oxide phosphor that reinforces red light emission is additionally added to the phosphor film.
本発明の第15の形態は、第1形態〜第14形態のいずれかの蛍光放電灯管の単独又は複数個を平面に配列し、LCD表示装置のバックライトに使用するLCD表示装置である。 A fifteenth aspect of the present invention is an LCD display device that is used as a backlight of an LCD display device by arranging a single or a plurality of fluorescent discharge lamp tubes according to any one of the first to fourteenth embodiments in a plane.
本発明の第16の形態は、前記蛍光放電灯管の複数個を垂直方向又は水平方向に配置し、それぞれの蛍光放電灯管を単独で、又は複数個の蛍光放電灯管を集団で、線順次に走査する方式で順次に点灯し、線順次の映像をLCD表示装置のスクリーン全体に映すLCD表示装置である。 According to a sixteenth aspect of the present invention, a plurality of the fluorescent discharge lamp tubes are arranged in a vertical direction or a horizontal direction, and each of the fluorescent discharge lamp tubes is singly or a plurality of fluorescent discharge lamp tubes are grouped together. It is an LCD display device that lights up sequentially in a sequential scanning manner and displays line-sequential images on the entire screen of the LCD display device.
本発明の第1の形態によれば、放電過程を通して、放電灯管内部の放電ガスは外部回路と遮断され、放電ガス自体がイオン化と再結合を連続的に反復するため、放電ガスの消耗が無く、放電灯管の長寿命化を実現できる。しかも、外部電源からの電子供給が無いから陰極電圧降下が無く、外部電源の消費電力は小さくでき、商用電源は言うに及ばず、バッテリー電源であってもバッテリーの消耗が小さく、放電灯管及びその周辺回路の長寿命化を達成できる。換言すれば、商用電源が無いためにバッテリー電源を必要とする過疎部・山間部などでもバッテリー駆動による放電灯管の使用が可能になる画期的な放電灯管を提供できる。しかも、前記陰極電圧降下がないから、電極近傍の明暗の縞状模様が無くなり、電極近傍も全体的に明るく発光して照度の向上を図ることができる。 According to the first aspect of the present invention, the discharge gas inside the discharge lamp tube is cut off from the external circuit through the discharge process, and the discharge gas itself continuously repeats ionization and recombination, so that the discharge gas is consumed. In addition, the life of the discharge lamp tube can be extended. Moreover, since there is no electron supply from the external power source, there is no cathode voltage drop, the power consumption of the external power source can be reduced, not to mention the commercial power source, the battery consumption is small, and the discharge lamp tube and The life of the peripheral circuit can be extended. In other words, it is possible to provide an epoch-making discharge lamp tube that can use the discharge lamp tube driven by a battery even in a sparsely populated area or a mountainous area that requires a battery power supply because there is no commercial power supply. In addition, since there is no cathode voltage drop, there is no bright and dark striped pattern in the vicinity of the electrode, and the entire vicinity of the electrode emits bright light as a whole to improve the illuminance.
本発明の一形態によれば、前記内部回路が放電ガスのイオン化により生成された電子源とイオン源から成り、この内部回路は前記外部回路から電子的に完全に遮断され、前記電子源から前記イオン源への電子の移動過程で放電現象が生起する。この放電現象は、同じ移動電子が繰り返しガス原子と非弾性衝突し、発生した紫外線による蛍光膜の発光が持続し、前記電子がイオンと再結合して前記内部回路が閉じる。前記放電現象の繰り返しにより定常的に蛍光膜の発光が持続する蛍光放電灯管が提供される。前述したように、持続する電子のガス原子との非弾性衝突と再結合が放電ガス内だけで生起し、外部回路は全く遮断されているため、外部回路のエネルギー損耗が殆んど無い。しかも、外部回路による内部回路への電子供給が無いから、陰極電圧降下が無く、外部電源の駆動電流を極力低減でき、低電流駆動が可能な蛍光放電灯管が提供される。 According to one aspect of the invention, the internal circuit comprises an electron source and an ion source generated by ionization of a discharge gas, the internal circuit being completely electronically disconnected from the external circuit, and from the electron source. A discharge phenomenon occurs in the process of movement of electrons to the ion source. In this discharge phenomenon, the same mobile electrons repeatedly inelastically collide with gas atoms, the emission of the fluorescent film by the generated ultraviolet rays continues, the electrons recombine with the ions, and the internal circuit is closed. A fluorescent discharge lamp tube is provided in which the light emission of the fluorescent film is constantly maintained by repeating the discharge phenomenon. As described above, the inelastic collision and recombination of the sustained electrons with the gas atoms occur only in the discharge gas, and the external circuit is completely cut off, so that there is almost no energy consumption of the external circuit. In addition, since there is no supply of electrons to the internal circuit by the external circuit, there is provided a fluorescent discharge lamp tube that has no cathode voltage drop, can reduce the drive current of the external power source as much as possible, and can be driven at a low current.
本発明の一形態によれば、電気絶縁体粒子を層状に被覆した金属電極により前記電子源形成用電極及び前記イオン源形成用電極を構成するから、電気絶縁体粒子層により金属電極からの電子放出や金属蒸発が遮断され、前記内部回路と前記外部回路が完全に分離する。前記金属電極からの電子放出や金属蒸発が遮断されるから、金属電極の消耗が無く、電極消耗によるスパッタリング現象が消失し、蛍光放電灯管の長寿命化を達成できる。しかも、金属電極からの電子放出が無いが、外部回路を流れる外部電流は金属電極の上に塗布された絶縁体粒子の誘電分極の誘導電流だけであるので、蛍光放電灯管の低電流駆動が実現でき、その結果、省エネルギー効果を達成できる。
前記電気絶縁体粒子が層状に被覆されるべき金属電極としては任意形状の金属電極が利用でき、冷陰極蛍光放電灯管(CCFL)や熱陰極蛍光放電灯管(HCFL)に使用されていた金属電極も利用できる。具体的形状としては、カップ状金属電極、平板状金属電極、棒状金属電極、フィラメント状金属電極などがある。これらの金属電極に前記電気絶縁体粒子を層状に被覆して電位を印加するだけで、前記電気絶縁体粒子を誘電分極できる。従来、HCFLではフィラメント電極に電流を通電して加熱し、熱電子放出させていたが、前記フィラメント電極に通電しない状態で、フィラメント電極に電位を印加するだけで本発明の金属電極に転換できる。前記フィラメント電極の両端を結線して通電不能にして電位印加端子としてもよいし、前記フィラメント電極の一端を電位印加端子とし他端を浮かせた状態でも構わない。どちらの形態でも通電しない状態でフィラメント電極全体を同電位に電位印加することができる。また、前記フィラメント電極が断線して通電不能になった状態でも、フィラメント電極の両端を結線すれば、フィラメント電極全体を同電位に保持できる。また、断線したフィラメント電極の一端に電位印加して他端を浮かせておけば、前記一端に導通したフィラメント電極部分には電位印加することでき、前記他端に導通したフィラメント電極部分は電気的に浮いた状態に保持される。このように、断線したフィラメント電極に電位を印加すれば本発明の金属電極として再生できる。
前記金属電極が電気絶縁体粒子により被覆されておれば、本発明の電極作用を奏することができる。即ち、前記金属電極に電位を印加して、電気絶縁体粒子を誘電分極し、その結果、放電ガスの電離により生成された電子源と陽イオン源を電気絶縁体粒子近傍に形成することができる。電気絶縁体粒子としては、一般の電気絶縁物質でもよいし、蛍光放電灯管のガラス管内面に塗着される蛍光体物質でもよい。誘電分極する物質であれば、本発明の電気絶縁体粒子として使用することができる。
According to one aspect of the present invention, the electron source forming electrode and the ion source forming electrode are constituted by the metal electrode coated with the electrical insulator particles in layers, and therefore the electrons from the metal electrode are formed by the electrical insulator particle layer. Release and metal evaporation are blocked, and the internal circuit and the external circuit are completely separated. Since the electron emission and metal evaporation from the metal electrode are blocked, the metal electrode is not consumed, the sputtering phenomenon due to electrode consumption disappears, and the life of the fluorescent discharge lamp tube can be extended. Moreover, although there is no electron emission from the metal electrode, the external current flowing through the external circuit is only the induction current of the dielectric polarization of the insulator particles applied on the metal electrode, so that the fluorescent discharge lamp tube can be driven at a low current. As a result, an energy saving effect can be achieved.
A metal electrode having an arbitrary shape can be used as the metal electrode to be coated with the electrical insulator particles in layers, and the metal used in the cold cathode fluorescent discharge lamp tube (CCFL) and the hot cathode fluorescent discharge lamp tube (HCFL). Electrodes can also be used. Specific examples include a cup-shaped metal electrode, a plate-shaped metal electrode, a rod-shaped metal electrode, and a filament-shaped metal electrode. The electric insulator particles can be dielectrically polarized simply by coating the metal insulators in layers and applying a potential to these metal electrodes. Conventionally, in HCFL, an electric current is applied to a filament electrode to heat and emit thermoelectrons. However, it can be converted to the metal electrode of the present invention by simply applying a potential to the filament electrode without applying an electric current to the filament electrode. Both ends of the filament electrode may be connected to disable energization to serve as a potential application terminal, or one end of the filament electrode may be used as a potential application terminal and the other end may be floated. In either form, the entire filament electrode can be applied with the same potential without being energized. Even when the filament electrode is disconnected and cannot be energized, the entire filament electrode can be held at the same potential by connecting both ends of the filament electrode. Further, if a potential is applied to one end of the disconnected filament electrode and the other end is floated, a potential can be applied to the filament electrode portion that is conducted to the one end, and the filament electrode portion that is conducted to the other end is electrically It is kept floating. Thus, if a potential is applied to the broken filament electrode, it can be regenerated as the metal electrode of the present invention.
If the metal electrode is covered with electrical insulator particles, the electrode function of the present invention can be achieved. That is, an electric potential is applied to the metal electrode to dielectrically polarize the electric insulator particles, and as a result, an electron source and a cation source generated by ionization of the discharge gas can be formed in the vicinity of the electric insulator particles. . The electrical insulator particles may be a general electrical insulation material or a phosphor material coated on the inner surface of a glass tube of a fluorescent discharge lamp tube. Any material that dielectrically polarizes can be used as the electrical insulator particles of the present invention.
本発明の一形態によれば、外部電源により前記電子源形成用電極の前記金属電極に正電位を印加し、その正電位により電気絶縁体層を誘電分極させ、分極電荷の分極電界により、放電ガスのイオン化により生成された電子を吸引して、前記金属電極周辺に集合した空間電子雲が電子源として形成される。この電子源を構成する電子は全て放電ガスのイオン化による電子であり、外部回路からの電子供給は全く無いから、内部回路の電圧降下は全く無く、外部回路の消費電力は著しく低減できる。同様に、放電灯管内部の他端に位置する前記イオン源形成用電極の金属電極には負電位が印加され、その負電位により電気絶縁体層を誘電分極させ、分極電荷の分極電界により、放電ガスのイオン化により生成された陽イオンを吸引して、前記金属電極周辺に集合した陽イオン群がイオン源として形成される。このイオン源は電気絶縁体層により負金属電極とは完全に絶縁されている。前記電子源の電子はこのイオン源に向かってガス放電を生起しながら移動し、電子とイオンの再結合により中性ガスに帰還する。このミクロ過程の連続動作により、放電により発生する紫外線により蛍光体が可視光発光し、低電流駆動の省エネルギー型の放電灯管を実現することができる。内部回路への外部回路からの電子供給が無いから、陰極電圧降下が無く、電極損耗の無い放電灯管が実現でき、放電灯管のランニングコストの超低減化と超長寿命化を達成することができる。
前記絶縁体粒子層は少なくとも電極間に形成される放電空間に接する対向面(表面)に形成されれば、金属蒸発が阻止でき外部回路からの電子供給を遮断できる。この遮断性を増強させるために、金属電極の全面(対向面と裏面と側面)に形成してもよいが、対向面と側面、対向面と裏面に形成してもよい。ここで、裏面とは外部回路との接合面を意味する。
According to one aspect of the present invention, a positive potential is applied to the metal electrode of the electron source forming electrode by an external power source, the electric insulator layer is dielectrically polarized by the positive potential, and a discharge is generated by the polarization electric field of the polarization charge. A space electron cloud gathered around the metal electrode is formed as an electron source by attracting electrons generated by gas ionization. All the electrons constituting this electron source are electrons generated by ionization of the discharge gas, and there is no supply of electrons from the external circuit. Therefore, there is no voltage drop in the internal circuit, and the power consumption of the external circuit can be significantly reduced. Similarly, a negative potential is applied to the metal electrode of the ion source forming electrode located at the other end inside the discharge lamp tube, and the electrical insulator layer is dielectrically polarized by the negative potential, Cations generated by ionization of the discharge gas are sucked to form a group of cations assembled around the metal electrode as an ion source. This ion source is completely insulated from the negative metal electrode by the electrical insulator layer. The electrons of the electron source move toward the ion source while generating a gas discharge, and return to the neutral gas by recombination of electrons and ions. By the continuous operation of this micro process, the phosphor emits visible light by ultraviolet rays generated by discharge, and an energy-saving discharge lamp tube driven at low current can be realized. Since there is no electron supply from the external circuit to the internal circuit, a discharge lamp tube with no cathode voltage drop and no electrode wear can be realized, and the running cost of the discharge lamp tube can be extremely reduced and the life can be extended. Can do.
If the insulator particle layer is formed on at least the opposing surface (surface) in contact with the discharge space formed between the electrodes, metal evaporation can be prevented and electron supply from an external circuit can be blocked. In order to enhance this barrier property, the metal electrode may be formed on the entire surface (opposing surface, back surface, and side surface), but may be formed on the opposing surface and side surface, and on the opposing surface and back surface. Here, the back surface means a joint surface with an external circuit.
本発明の一形態によれば、前記電子源から取り出された電子を蛍光膜表面の表面伝導により加速してガス放電を点火し、前記加速電子の軌道を蛍光膜上の負電荷を持った蛍光体粒子によりガス空間に曲げ、蛍光放電灯管のガスを瞬時に点灯放電させる蛍光放電灯管が実現できる。これにより、陰極電圧降下が無く、発光強度(照度)の向上を実現し、低電流駆動により省エネルギー設計された蛍光放電灯管を提供することができる。一般に、負電荷を持った蛍光体粒子には、光発光蛍光体(PL蛍光体)が含まれる。光発光蛍光体の粒子内部に存在する不純物には電子がトラップされており、このトラップされた電子に起因して内部持続分極 (PIP)が形成され、内部持続分極の電子が蛍光膜表面に出現して前記負電荷を構成し、前記加速電子を放電空間に曲げる作用をする。従って、加速電子を曲げたい位置に光発光蛍光体を配置しておけば、その位置の光発光蛍光体の負電荷が、前記加速電子に対し曲げ作用を行う。蛍光体の選択により、前記負電荷の大小を可変調整でき、これにより蛍光膜上の表面伝導電子と放電ガスとの衝突を加速して、放電空間内の急速点灯を実現でき、蛍光放電灯管に従来から存在した遅延点灯を無くすことができる。 According to one aspect of the present invention, the electrons extracted from the electron source are accelerated by surface conduction on the surface of the fluorescent film to ignite a gas discharge, and the orbit of the accelerated electrons is fluorescent with a negative charge on the fluorescent film. It is possible to realize a fluorescent discharge lamp tube that is bent into a gas space by body particles and instantaneously discharges and discharges the gas of the fluorescent discharge lamp tube. As a result, it is possible to provide a fluorescent discharge lamp tube that has no cathode voltage drop, realizes improvement in emission intensity (illuminance), and is designed to save energy by driving at a low current. In general, phosphor particles having a negative charge include a light-emitting phosphor (PL phosphor). Electrons are trapped in the impurities present inside the particles of the light-emitting phosphor, and internal sustained polarization (PIP) is formed due to the trapped electrons, and the internally sustained polarization electrons appear on the phosphor film surface. Thus, the negative charge is formed, and the accelerated electrons are bent into a discharge space. Therefore, if the photoluminescent phosphor is disposed at a position where the accelerated electrons are to be bent, the negative charge of the photoluminescent phosphor at that position performs a bending action on the accelerated electrons. Depending on the selection of the phosphor, the magnitude of the negative charge can be variably adjusted, thereby accelerating the collision between the surface conduction electrons on the phosphor film and the discharge gas and realizing rapid lighting in the discharge space. Thus, it is possible to eliminate the delayed lighting that has been conventionally present.
本発明の一形態によれば、前記蛍光膜の表面に負電荷を持たない蛍光体粒子と負電荷を持った蛍光体粒子を交互に配置させて、前記蛍光膜表面の複数箇所で前記加速電子を前記負電荷を有した蛍光体粒子により、電子をガス空間側に曲げる急速点灯と全面発光する高効率な蛍光放電灯管が提供される。前記負電荷を持たない蛍光体粒子には、一般的に電子線発光蛍光体(CL蛍光体)が含まれる。特に、低電圧電子線発光蛍光体は表面汚染が少なく、負電荷に帯電しない性質を有し、チャージアップしない特性を有する。高電圧電子線発光蛍光体になると表面汚染を有するものが出現し、負電荷にチャージアップする場合もある。本形態では、負電荷を持たない蛍光体領域ではクーロン反発力が発生しないから、蛍光膜を表面伝導する電子は加速される。他方、負電荷を持つ蛍光体領域では、加速電子はクーロン反発力により放電空間に曲げられ、放電ガスを強制的に放電させ、放電灯管は急速点灯する。しかも、本形態では、多数の負電荷領域が電子の表面伝導方向に点在するから、放電灯管の多数領域で放電が生起し、放電灯管の全体が明るく発光することができる。換言すると、前記負電荷性蛍光体粒子を蛍光膜上に加速電子の進行方向に沿って多数点在させると、加速電子と負電荷とのクーロン反発力により、多数の負電荷位置にて加速電子が放電空間中に強制的に曲げられ、加速電子と放電ガスとの多領域における全空間衝突により放電空間全領域での放電が生起し、急速点灯と全空間点灯が同時達成できる放電灯管を実現できる。 According to one aspect of the present invention, phosphor particles having no negative charge and phosphor particles having a negative charge are alternately arranged on the surface of the phosphor film, and the accelerated electrons are formed at a plurality of locations on the surface of the phosphor film. By using the phosphor particles having the negative charge, a high-efficiency fluorescent discharge lamp tube that emits light quickly and bends electrons toward the gas space is provided. The phosphor particles having no negative charge generally include an electron beam emitting phosphor (CL phosphor). In particular, the low-voltage electron-emitting phosphor has a low surface contamination, has a property of not being negatively charged, and has a property of not being charged up. When it becomes a high voltage electron beam light emitting phosphor, some having surface contamination appears and may be charged up to a negative charge. In this embodiment, since the Coulomb repulsive force is not generated in the phosphor region having no negative charge, the electrons conducting on the surface of the phosphor film are accelerated. On the other hand, in the phosphor region having a negative charge, the accelerated electrons are bent into the discharge space by the Coulomb repulsion, forcibly discharging the discharge gas, and the discharge lamp tube is lit rapidly. In addition, in this embodiment, since a large number of negative charge regions are scattered in the surface conduction direction of electrons, discharge occurs in a large number of regions of the discharge lamp tube, and the entire discharge lamp tube can emit light brightly. In other words, when a large number of the negatively charged phosphor particles are scattered along the traveling direction of the accelerated electrons on the fluorescent film, the accelerated electrons are generated at a number of negative charge positions due to the Coulomb repulsive force between the accelerated electrons and the negative charges. A discharge lamp tube that is forced to bend into the discharge space and discharge in all areas of the discharge space occurs due to all-space collisions between the accelerated electrons and the discharge gas. realizable.
本発明の第7の形態によれば、前記蛍光放電灯管のガラス管内壁面に塗布される前記蛍光膜が、電子線発光蛍光体粉と光発光蛍光体粉の混合粉体からなる蛍光放電灯管が提供できる。前述したように、電子線発光蛍光体粉は負電荷を持たず、光発光蛍光体粉は負電荷を有するから、両蛍光体粉を混合して放電灯管内に塗布しておけば、負電荷領域と中性領域が粉体の直径サイズで交互に配置され、表面伝導電子の加速領域と曲げ領域が交互に無数に配置されることになる。従って、放電灯管の全領域における放電発光が生起し、急速点灯と全面点灯が瞬時に実現され、低電力で高照度の放電灯管を提供できる。 According to the seventh aspect of the present invention, the fluorescent discharge lamp is a fluorescent discharge lamp in which the fluorescent film applied to the inner wall surface of the fluorescent discharge lamp tube is made of a mixed powder of electron-emitting phosphor powder and light-emitting phosphor powder. A tube can be provided. As described above, since the electron-emitting phosphor powder has no negative charge, and the light-emitting phosphor powder has a negative charge, if both phosphor powders are mixed and applied in the discharge lamp tube, a negative charge is obtained. The charge region and the neutral region are alternately arranged in the diameter size of the powder, and the acceleration region and the bending region of the surface conduction electrons are alternately arranged innumerably. Accordingly, discharge light emission occurs in the entire region of the discharge lamp tube, and rapid lighting and entire surface lighting are realized instantaneously, and a low power and high illuminance discharge lamp tube can be provided.
本発明の第8の形態によれば、前記光発光蛍光体粉が個別に三色に発光する三種類の希土類光発光蛍光体粉からなり、前記電子線発光蛍光体粉が低電圧電子線発光蛍光体粉からなる蛍光放電灯管が提供される。三色として、赤光、緑光、青光を選択すれば、合成色は白色になり、白色蛍光放電灯管を提供できる。しかも、三種類の希土類光発光蛍光体粉が負電荷蛍光体になり、低電圧電子線発光蛍光体粉が負電荷を持たない蛍光体になり、急速点灯と全面点灯を実現する。 According to an eighth aspect of the present invention, the light-emitting phosphor powder is composed of three kinds of rare earth light-emitting phosphor powders that individually emit light in three colors, and the electron-emitting phosphor powder is a low-voltage electron beam light emission. A fluorescent discharge lamp tube made of phosphor powder is provided. If red light, green light and blue light are selected as the three colors, the combined color becomes white, and a white fluorescent discharge lamp tube can be provided. In addition, the three kinds of rare earth light emitting phosphor powders become negatively charged phosphors, and the low voltage electron beam emitting phosphor powders become phosphors having no negative charge, realizing rapid lighting and full lighting.
本発明の第9の形態によれば、前記希土類光発光蛍光体粉の内、緑色に発光する光発光蛍光体粉をCL発光珪酸亜鉛蛍光体粉で置換した蛍光放電灯管が提供される。第8形態における緑光の光発光蛍光体粉を電子線発光(CL発光)の珪酸亜鉛蛍光体粉で置換すると、希少元素である希土類が含まれないために材料的に安価になり、しかも発光が明るく綺麗になる特性を有する。 According to the ninth aspect of the present invention, there is provided a fluorescent discharge lamp tube in which, among the rare earth light emitting phosphor powders, the light emitting phosphor powder emitting green light is replaced with a CL light emitting zinc silicate phosphor powder. If the green light emitting phosphor powder in the eighth embodiment is replaced with an electron beam emission (CL emission) zinc silicate phosphor powder, the rare earth element, which is a rare element, is not included, and the material becomes inexpensive and light emission is achieved. It has the characteristics of being bright and beautiful.
本発明の第10の形態によれば、前記希土類光発光蛍光体粉の内、緑色に発光する光発光蛍光体粉をCL発光珪酸亜鉛蛍光体粉とPL発光珪酸亜鉛蛍光体粉の混合粉体で置換した蛍光放電灯管が提供される。希少元素である希土類が含まれないために材料的に安価になり、CL発光珪酸亜鉛蛍光体粉とPL発光珪酸亜鉛蛍光体粉の混合比を調整することにより、発光の明るさとNTSC(米国TVシステム委員会)で決められた緑色で鮮明さと綺麗さを最適調整することができる。 According to the tenth aspect of the present invention, among the rare-earth light-emitting phosphor powders, a light-emitting phosphor powder that emits green light is a mixed powder of a CL light-emitting zinc silicate phosphor powder and a PL light-emitting zinc silicate phosphor powder. A fluorescent discharge lamp tube substituted with is provided. Because it does not contain rare elements, which are rare elements, the material becomes inexpensive. By adjusting the mixing ratio of CL light emitting zinc silicate phosphor powder and PL light emitting zinc silicate phosphor powder, the brightness of light emission and NTSC (US TV The green color determined by the System Committee) can be optimally adjusted for clarity and beauty.
本発明の第11の形態によれば、前記蛍光膜で、前記低電圧電子線発光蛍光体の粒子を、前記蛍光膜の表面に不連続に散布するように配置した蛍光放電灯管が提供される。前述した様に、低電圧電子線発光蛍光体は負電荷を持たない蛍光体であり、この蛍光体を不連続に散布配置する事は、負電荷を有さない領域(無電荷領域ともいう)が不連続に存在することを意味し、換言すれば負電荷領域と無電荷領域を交互に配置したパターンになる。従って、負電荷領域で曲げ点灯が生じ、無電荷領域で表面伝導電子の加速が行われ、急速点灯と全面点灯を確実に実現することができる。 According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a fluorescent discharge lamp tube in which the phosphor film is arranged so as to disperse particles of the low-voltage electron-emitting phosphor on the surface of the phosphor film discontinuously. The As described above, the low-voltage electron-emitting phosphor is a phosphor having no negative charge. Dispersing and disposing the phosphor discontinuously is a region having no negative charge (also referred to as an uncharged region). In other words, a pattern in which negative charge regions and non-charge regions are alternately arranged. Therefore, bending lighting occurs in the negative charge region, and surface conduction electrons are accelerated in the non-charged region, so that rapid lighting and full lighting can be realized reliably.
本発明の第12の形態によれば、前記蛍光膜が、単独で白色に発光する光発光蛍光体粉と低電圧電子線発光蛍光体粉の混合粉体からなる蛍光放電灯管が提供できる。単独で白色に発光する光発光蛍光体粉が負電荷蛍光体であり、低電圧電子線発光蛍光体粉が無電荷蛍光体になり、両粉体の混合により急速点灯と全面点灯を実現できる。光の三原色に対応した三種類の光発光蛍光体を使用せず、単独で白色に発光する光発光蛍光体粉を使用すると、蛍光体コストの低減を実現できる。この発明になる蛍光放電灯管は輝度飽和現象が消え、蛍光膜の輝度が管径に依存しない。家庭の照明に使われる管径25 mm以上の蛍光放電灯管で約30 % の輝度上昇が起こり、LCDのバックライトに使用する管径が5 mm以下の蛍光放電灯管は、希土類蛍光体を使用したと同等又はそれ以上の発光が得られる。蛍光放電灯を数回も曲折した電球状の省電型蛍光ランプにも使用でき、省電型蛍光ランプの製造コストの大きな低減と、1万時間以上の長寿命となり、需要者の利益に大いに貢献する。 According to the twelfth aspect of the present invention, it is possible to provide a fluorescent discharge lamp tube in which the phosphor film is made of a mixed powder of light-emitting phosphor powder that emits white light alone and low-voltage electron beam-emitting phosphor powder. The light-emitting phosphor powder that emits white light alone is a negatively charged phosphor, and the low-voltage electron beam-emitting phosphor powder becomes an uncharged phosphor. If three types of light-emitting phosphors corresponding to the three primary colors of light are not used and a light-emitting phosphor powder that emits white light alone is used, the phosphor cost can be reduced. In the fluorescent discharge lamp tube according to the present invention, the luminance saturation phenomenon disappears, and the luminance of the fluorescent film does not depend on the tube diameter. A fluorescent discharge lamp tube with a diameter of 25 mm or more used for home lighting has a brightness increase of about 30%, and a fluorescent discharge lamp tube with a diameter of 5 mm or less used for an LCD backlight is made of rare earth phosphor. Emissions equal to or higher than those used can be obtained. It can be used for light-saving fluorescent lamps that are bent several times, and it greatly reduces the manufacturing cost of power-saving fluorescent lamps and has a long service life of 10,000 hours or more, greatly benefiting consumers. To contribute.
本発明の第13の形態によれば、前記蛍光膜が、単独で白色に光発光する前記光発光蛍光体がハロ燐酸カルシウム蛍光体からなる蛍光放電灯管が提供できる。ハロ燐酸カルシウム蛍光体はクラーク数が低い希少な希土類元素を用いないから、蛍光体コスト低減できる効果を有する。 According to the thirteenth aspect of the present invention, it is possible to provide a fluorescent discharge lamp tube in which the light-emitting phosphor in which the phosphor film emits white light alone is made of a calcium halophosphate phosphor. Since the calcium halophosphate phosphor does not use a rare rare earth element having a low Clarke number, it has an effect of reducing the phosphor cost.
本発明の第14の形態によれば、第13形態の蛍光膜に、赤色発光を補強する電子線発光酸化イットリウム蛍光体が追加的に添加された蛍光放電灯管が提供できる。ハロ燐酸カルシウム蛍光体は単独で白色光を発光するが、色分解すると赤色光が含まれていないから、電子線発光酸化イットリウム蛍光体を添加することにより、色分解により三原色光から構成されることになる。特に、後述するLCD表示装置のバックライト光源に使用する場合には、三原色光が必要になり、本第14形態の赤色電子線発光酸化イットリウム蛍光体を添加することにより、それを可能にする。 According to the fourteenth aspect of the present invention, there can be provided a fluorescent discharge lamp tube in which an electron beam light emitting yttrium oxide phosphor for reinforcing red light emission is additionally added to the thirteenth aspect of the fluorescent film. Calcium halophosphate phosphor emits white light by itself, but it does not contain red light when color-separated, so it must be composed of three primary colors by color separation by adding an electron-emitting yttrium oxide phosphor. become. In particular, when it is used as a backlight light source of an LCD display device to be described later, three primary color lights are required, and this is made possible by adding the red electron beam emitting yttrium oxide phosphor of the fourteenth embodiment.
本発明の第15の形態によれば、第1形態〜第14形態のいずれかの蛍光放電灯管の単独又は複数個を平面に配列し、LCD表示装置のバックライトに使用するLCD表示装置が提供できる。一般に、LCD表示装置のバックライト光源には冷陰極管 (CCFL) が使用されているが、輝度が低く、寿命に限界があった。本発明の蛍光放電灯管は高輝度、長寿命であり、バックライト光源として最適である。即ち、本発明の蛍光放電灯管は液晶表示装置(LCD表示装置)のバックライト光源に利用でき、低消費電力・高照度・安価・長寿命であるから、良質且つ安定なバックライト光源になる。 According to the fifteenth aspect of the present invention, there is provided an LCD display device that is used as a backlight of an LCD display device by arranging a single or a plurality of fluorescent discharge lamp tubes according to any one of the first to fourteenth embodiments in a plane. Can be provided. In general, a cold cathode fluorescent lamp (CCFL) is used as a backlight light source of an LCD display device, but its luminance is low and its lifetime is limited. The fluorescent discharge lamp tube of the present invention has high brightness and long life, and is optimal as a backlight light source. In other words, the fluorescent discharge lamp tube of the present invention can be used as a backlight light source of a liquid crystal display device (LCD display device), and has low power consumption, high illuminance, low cost, and long life, so that it becomes a high quality and stable backlight light source. .
本発明の第16の形態によれば、前記第15形態の蛍光放電灯管の複数個を垂直方向又は水平方向に配置し、それぞれの蛍光放電灯管を単独で、又は複数個の蛍光放電灯管を集団で、線順次に走査する方式で順次に点灯し、線順次の映像をLCD表示装置のスクリーン全体に映すLCD表示装置が実現できる。本発明の蛍光放電灯管は急速点灯と全面点灯が可能であるから、多数本の蛍光放電灯管を配列して線順次走査しても走査速度より高速に急速瞬時点灯するから、走査点灯方式に好適な蛍光放電灯管を提供でき、高性能の走査型LCD表示装置を実現できる。従来のLCD表示装置に使用する CCFLの点灯速度は最速で秒単位であり、線順次走査は不可能であった。 According to the sixteenth aspect of the present invention, a plurality of the fluorescent discharge lamp tubes of the fifteenth aspect are arranged in the vertical direction or the horizontal direction, and each fluorescent discharge lamp tube is singly or a plurality of fluorescent discharge lamps. It is possible to realize an LCD display device in which the tubes are lit up in a group, line-sequential scanning manner, and line-sequential images are projected on the entire screen of the LCD display device. Since the fluorescent discharge lamp tube of the present invention can be rapidly turned on and fully lit, even if a large number of fluorescent discharge lamp tubes are arranged and line-sequential scanning is performed, the lamp is turned on quickly and at a higher speed than the scanning speed. A fluorescent discharge lamp tube suitable for the above can be provided, and a high-performance scanning LCD display device can be realized. The lighting speed of CCFL used in the conventional LCD display device is the fastest in seconds, and line-sequential scanning is impossible.
[本発明の更なる詳細説明]
本発明者は蛍光放電管の最適動作条件を探索すべく、放電現象の最も基礎から応用までを検討した。ガス放電の基本は、ガスを放電させる電子の放電管内への供給である。現在使用している金属電極を使用した場合、陰極表面に不可避に形成されるSBE(106eV/cm)の影響を受けるので、電子は106eV/cm以上の高エネルギーを持って陰極表面から取り出される。観察された放電現象には、この高エネルギー電子の影響が介入しており、その影響を解析から取り去ることはできない。ガス放電の基本を調べるに、SBEが形成されない電極を必要とする。本発明者は絶縁体粒子表面に形成されるSBEを利用し、初速ゼロに近い電子をガス空間(放電空間)に供給する新しい電子供給源を開発した。この電子供給源からの電子を使用すると、今まで解明できなかった蛍光放電管中のガス放電の詳細が調べられ、未解決な全事項を解明することができた。新しく解明された事項を最適化すると、放電特性を驚異的に改良した蛍光放電灯管が開発できる。[Further details of the present invention]
The present inventor has studied from the most basic to the application of the discharge phenomenon in order to search for the optimum operating condition of the fluorescent discharge tube. The basis of gas discharge is the supply of electrons that discharge gas into the discharge tube. When the current metal electrode is used, it is affected by SBE (10 6 eV / cm) inevitably formed on the cathode surface, so electrons have a high energy of 10 6 eV / cm or more and the cathode surface. Is taken out of. The observed discharge phenomenon is intervened by the effects of this high energy electron and cannot be removed from the analysis. To investigate the basics of gas discharge, an electrode on which no SBE is formed is required. The inventor has developed a new electron supply source for supplying electrons close to zero at the initial velocity to the gas space (discharge space) using SBE formed on the surface of the insulator particles. Using electrons from this electron source, the details of gas discharge in a fluorescent discharge tube, which could not be clarified until now, were investigated, and all unsolved matters could be clarified. By optimizing the newly elucidated items, fluorescent discharge lamp tubes with dramatically improved discharge characteristics can be developed.
新規電子供給源は次のようにして得られた。金属電極の上に電気絶縁体粒子層を置く。金属電極に電位を印加すると絶縁体粒子は誘電分極する。絶縁体粒子に誘電分極した電荷の極性は、金属電極の極性と反対になるが、電荷量Qは、電極に印加される電位Vgの一次関数で増減し、比例常数は絶縁体粒子の誘電率εを用いてQ=εVgで表される。絶縁体粒子に誘起された分極の電位Vcは、絶縁体粒子の電気容量(誘電容量)をCとするとVc= Q/C =εVg /Cで表され、Cは常数であるので、εVg倍になる。多くの絶縁体粒子のε値は3〜50であるので、分極電荷の電位Vcは金属電極電位Vg よりもε倍高くなる。この高い分極電荷に現れる電位を利用する。A new electron source was obtained as follows. An electrically insulating particle layer is placed on the metal electrode. When a potential is applied to the metal electrode, the insulator particles are dielectrically polarized. Polarity of charge dielectric polarization in the insulating particles is the opposite to the polarity of the metal electrodes, the charge amount Q is increased or decreased by a linear function of the potential V g applied to the electrode, the proportional constant is insulator particles dielectric Q = εV g using the rate ε. The potential V c of polarization induced in the insulator particles is expressed as V c = Q / C = εV g / C, where C is the capacitance (dielectric capacitance) of the insulator particles, and C is a constant. εV g times. Since many insulator particles have an ε value of 3 to 50, the polarization charge potential V c is ε times higher than the metal electrode potential V g . The potential appearing in this high polarization charge is used.
絶縁体粒子で覆われた金属電極をガス空間に置き、金属電極に波高値が1〜5kVで周波数が1〜70 kHzにある高周波電界を印加すると、電極周辺のガス原子は高周波電界でイオン化し、自由電子と自由イオンが電極周辺にできる。この自由電子と自由イオンは、金属電極電位Vgの電場に引き寄せられるよりも、電位の高い絶縁体粒子の高電位Vcの電場に引き寄せられる。自由電子と自由イオンは極性を異にする誘電分極に引き寄せられるが、絶縁体結晶内部に突入するエネルギーを持たないので、分極した絶縁体粒子表面上の真空中にそれぞれ累積する。分極した絶縁体粒子表面上に個別に累積した電子とイオンを使い、蛍光放電管内のガスを放電させる。この放電方式の原理を模式化し、図1に示す。電極2と3の上に置かれた絶縁体粒子4は、電極2と3に電源電圧を印加すると図に示したように誘電分極する。ガス空間側の誘電分極の極性は電極の極性とは一致する。電極2、3の極性は高周波電圧により変化するが、図1ではその一瞬状態を表示している。イオン化により生成された自由電子は絶縁体粒子に誘起した分極の正極性に引き寄せられ、絶縁体粒子4の直前の真空中に留まり、絶縁体粒子4の正極性と結合する。この絶縁体粒子4に表面結合した電子をガス放電の新しい電子源7とする。イオン化したAr+は絶縁体粒子の誘電分極に誘起した分極の負極性に引き寄せられ、絶縁体粒子4の直前の真空中に留まり、絶縁体粒子4の負極性と結合し、イオン源(累積イオン)8となる。放電5は電子源7から取り出された電子が累積イオン8までの移動で起こる。放電に関与する電子は、放電管中のガスから供給され、絶縁体粒子からの電子の供給はない。放電に関与した電子は、放電管中でイオンと結合してガス原子に戻る。放電に関与する電子とイオンは、放電管の外部から供給されない。When a metal electrode covered with insulator particles is placed in a gas space and a high frequency electric field having a peak value of 1 to 5 kV and a frequency of 1 to 70 kHz is applied to the metal electrode, gas atoms around the electrode are ionized by the high frequency electric field. , Free electrons and free ions are generated around the electrode. The free electrons and free ions, than are attracted to the electric field of the metal electrode potential V g, are attracted to an electric field of high potential V c of the high-potential insulated particles. Free electrons and free ions are attracted to dielectric polarization having different polarities, but do not have energy to enter the insulator crystal, and thus accumulate in the vacuum on the surface of the polarized insulator particles. Using the electrons and ions accumulated individually on the surface of the polarized insulator particle, the gas in the fluorescent discharge tube is discharged. The principle of this discharge method is schematically shown in FIG. The
ここで疑問になるのは、絶縁体粒子表面に累積した電子は、粒子内の対の誘電電荷と強く結合し、SBEを形成しているので、容易に取り出せないのではないかの疑問である。電極周辺の電界は高周波で変化しており、絶縁体粒子の誘起電荷の極性は急速に変わる。その結果、電子供給源7の電子は短時間の間真空中に浮遊する。絶縁体粒子に誘電分極した電荷の真空中に浮遊する電子に対する拘束力は弱く、電子は弱い高周波電界で容易に移動する。絶縁体粒子表面近傍の真空中に浮遊する電子を取り出すので、電子の初速度はゼロに近い。本発明に係る電子源は高周波電界の存在下だけで得られ、高周波の波数が小さいとき、および直流電圧の印加では発生しない。 The question here is whether the electrons accumulated on the surface of the insulator particles are strongly coupled to the pair of dielectric charges in the particles and form SBE, so they cannot be easily extracted. . The electric field around the electrode changes at high frequencies, and the polarity of the induced charges of the insulator particles changes rapidly. As a result, the electrons of the electron supply source 7 float in the vacuum for a short time. The binding force of the electrons dielectrically polarized on the insulator particles to the electrons floating in the vacuum is weak, and the electrons move easily in a weak high-frequency electric field. Since electrons floating in the vacuum near the surface of the insulator particles are taken out, the initial velocity of the electrons is close to zero. The electron source according to the present invention is obtained only in the presence of a high-frequency electric field, and does not occur when the high-frequency wave number is small or when a DC voltage is applied.
絶縁体粒子に誘起する分極電荷量Qは絶縁体の誘電率εの値で変わる。一般の絶縁体粒子を使用できるが、同じ大きさの絶縁体粒子を使用した場合、より大きな誘起電圧を絶縁体粒子に誘起した方がガス放電に有利であることを見出した。大きな誘起電圧を得るには大きな誘電率εを持った絶縁体の方が有利である。そのような絶縁体粒子として、実用化されている電子線発光蛍光体(CL蛍光体)粒子が最適であった。効率よく発光するCL蛍光体の結晶は格子点に非対称を持った結晶であり、発光中心は非対称な格子点を占める。非対称な格子点を占有した発光中心は、対称性結晶の格子点を占有した発光中心で許容されない電子遷移が可能となり、その電子遷移確率が異常に大きい。実用蛍光体粒子の全ては非対称性を持った結晶である理由である。非対称性を持った結晶は圧電特性を持ち、大きな誘電率εを持つ。この理由で、蛍光体粒子は金属電極を覆う絶縁体粒子に適す。 The amount of polarization charge Q induced in the insulator particles varies depending on the value of the dielectric constant ε of the insulator. Although general insulator particles can be used, it has been found that when insulator particles of the same size are used, it is advantageous for gas discharge to induce a larger induced voltage in the insulator particles. In order to obtain a large induced voltage, an insulator having a large dielectric constant ε is more advantageous. As such insulator particles, electron beam emitting phosphor (CL phosphor) particles that have been put into practical use have been optimal. A crystal of a CL phosphor that emits light efficiently is a crystal having an asymmetric lattice point, and the emission center occupies an asymmetric lattice point. An emission center that occupies an asymmetric lattice point allows an unacceptable electronic transition at the emission center that occupies a lattice point of a symmetric crystal, and the probability of the electron transition is abnormally large. This is the reason why all the practical phosphor particles are asymmetric crystals. An asymmetric crystal has piezoelectric characteristics and a large dielectric constant ε. For this reason, the phosphor particles are suitable as insulator particles covering the metal electrode.
絶縁体に誘起する電荷量Qは絶縁体の表面積に比例して変わる。絶縁体は薄膜であるよりも、粒子の表面積の方が大きい。平面に一層に緻密に配列した粒子の表面積はπφ2で与えられる。ここにφは粒子直径である。Cathodo luminescence, Kodansha, 1990, p104-120(非特許文献 3)の記述によれば、決められた面上に配列する粒子の総表面積は、粒子径に無関係に配列した粒子層数で与えられる。付着する最適な粒子総数は3層前後である。この理由により、現実に金属電極表面に付着させる絶縁体粒子は一個ではなく、3層前後の粒子を均一に金属電極の表面に付着させる。金属電極表面に付ける絶縁体粒子の大きさは、粒子の金属表面への付着力で規制される。多数の粒子を使用する。多数の粒子の粒子径は均一径でなく、対数正規分布で分散する。分布している粒子は、平均値または分布の中央値で代表して取り扱う。絶縁体粒子は金属電極表面にファンデルワールス力で付着する。粒子と金属表面の付着に接着剤を採用することも出来るが、接着剤を使用しない方が良い結果が得られる。付着力の強い粒子の平均値は、光学顕微鏡の測定で1 μm〜7 μmの間にある。より好ましくは 2 μm〜5 μmの間にある。7 μmより大きな粒子は付着力が弱く、機械的な振動で容易に金属電極面から脱落する。1 μmより小さい粒子は、粉末の保存中に空気中から毛管凝縮により水分を吸着し、凝集する。凝集粒子塊は大粒子と等価であるので使えない。The amount of charge Q induced in the insulator varies in proportion to the surface area of the insulator. The insulator has a larger surface area than the thin film. The surface area of the particles arranged more densely on the plane is given by πφ 2 . Here, φ is the particle diameter. According to the description of Cathodo luminescence, Kodansha, 1990, p104-120 (Non-patent Document 3), the total surface area of particles arranged on a predetermined plane is given by the number of particle layers arranged regardless of the particle diameter. The optimum total number of adhered particles is around 3 layers. For this reason, the number of insulator particles actually attached to the surface of the metal electrode is not one, but particles around three layers are uniformly attached to the surface of the metal electrode. The size of the insulator particles attached to the surface of the metal electrode is regulated by the adhesion force of the particles to the metal surface. Use a large number of particles. The particle size of many particles is not uniform, but is distributed in a lognormal distribution. The particles that are distributed are handled by the average value or the median value of the distribution. The insulator particles adhere to the surface of the metal electrode by van der Waals force. Adhesives can be employed for adhesion between the particles and the metal surface, but better results are obtained when no adhesive is used. The average value of particles with strong adhesion is between 1 μm and 7 μm as measured with an optical microscope. More preferably, it is between 2 μm and 5 μm. Particles larger than 7 μm have weak adhesion and easily fall off the metal electrode surface by mechanical vibration. Particles smaller than 1 μm adsorb moisture from the air by capillary condensation during powder storage and aggregate. Agglomerated particle lumps are equivalent to large particles and cannot be used.
上記した条件を具備した新しい電子源を蛍光放電灯管に使用した時、放電灯のガス放電に以下に述べる特徴がある。第一の特徴は、金属電極から絶縁体粒子に電流は流れない。ガス放電に必要な電子は、ガスのイオン化によりガス空間内から調達し、累積イオンに再会して消滅する。即ち、放電管内の電子の流れは、放電管内で発生し、閉じる内部回路である。この内部回路が放電管内に形成される。内部回路には放電管外の電気回路(外部回路)から電子は流れ込まない。蛍光放電灯管の駆動回路は外部回路を形成し、誘導電流を持つが、内部回路に電子を直接供給しない。電子の流れに限定すれば、内部回路は外部電源回路と独立して存在する。内部回路を形成する電子源の大きさは、外部回路の金属電極に印加する電位により制御される。図2に上記した内部回路15と外部回路12を模式化して示す。
When a new electron source having the above-described conditions is used for a fluorescent discharge lamp tube, the gas discharge of the discharge lamp has the following characteristics. The first feature is that no current flows from the metal electrode to the insulator particles. Electrons necessary for gas discharge are procured from the gas space by gas ionization, and are reunited with accumulated ions and disappear. That is, the flow of electrons in the discharge tube is an internal circuit that occurs and closes in the discharge tube. This internal circuit is formed in the discharge tube. Electrons do not flow into the internal circuit from an electric circuit (external circuit) outside the discharge tube. The driving circuit of the fluorescent discharge lamp tube forms an external circuit and has an induced current, but does not supply electrons directly to the internal circuit. If limited to the flow of electrons, the internal circuit exists independently of the external power supply circuit. The size of the electron source forming the internal circuit is controlled by the potential applied to the metal electrode of the external circuit. FIG. 2 schematically shows the
今までの蛍光放電灯管の放電現象の調査では、駆動回路の電気特性を測定していた。同じように本発明になる蛍光放電灯管の外部回路に探針を接続すると、電気信号が検出でききる。ここに誤解が発生する。誤解は解かなければならない。図2の外部回路 12に流れる電流は、金属電極を覆う絶縁体粒子の誘電分極と脱分極時に流れる誘導電流であり、内部回路15に流れる電流とは関係ない。現在の所、内部回路の電流を検出する方法がない。
In the investigation of the discharge phenomenon of the fluorescent discharge lamp tube so far, the electrical characteristics of the drive circuit have been measured. Similarly, when a probe is connected to the external circuit of the fluorescent discharge lamp tube according to the present invention, an electric signal can be detected. There is a misunderstanding here. Misunderstandings must be solved. The current flowing through the
外部回路からの電子の流れ無しにガス放電が可能とすると、ガス放電に必要な内部電流の大きさが推定できる。一個の電子が一個のガス原子を励起し、一個の光子の発光が発生すると仮定する。この仮定下でガス原子を励起する最大電子流を計算できる。要求される最大電流を、通常の蛍光放電灯管内を満たすガス原子の数から求める。その数は蛍光放電灯の内容積が決まると、Boyle-Charles の法則でガスのモル数が計算できる。Avogadoro数を使い、計算したモル数内に含まれる原子の数が計算する。計算したガス原子の数量を電流に換算すると、多くの蛍光放電灯では約0.1ミリアンペアーである。現実には、一個の電子は繰り返し使用するので、本発明になる内部回路を構成する電子源を使用し、蛍光放電灯管を理想条件で放電すれば、蛍光放電灯管の消費電力は更に小さく、著しい省電型蛍光放電灯管が開発できるが、放電灯内の電流を直接測定できない。外部回路に流れる電流と電圧から放電灯の電力を決めるが、それでも通常の蛍光放電灯の消費電力より極度に減少する。ガス放電に必要な内部回路の電子の挙動は単純でなく、同じ電子数を使用しても結果は大いに異なる。省電型蛍光放電灯管を求めるには単純でない電子の挙動を解明し、電子挙動の最適化が必要である。 If gas discharge is possible without the flow of electrons from the external circuit, the magnitude of the internal current required for gas discharge can be estimated. Assume that one electron excites one gas atom and one photon is emitted. Under this assumption, the maximum electron current that excites the gas atoms can be calculated. The required maximum current is determined from the number of gas atoms that fill the normal fluorescent discharge lamp tube. When the number of fluorescent lamps is determined, the number of moles of gas can be calculated using Boyle-Charles' law. The Avogadoro number is used to calculate the number of atoms contained in the calculated number of moles. When the calculated quantity of gas atoms is converted into current, it is about 0.1 milliamperes for many fluorescent lamps. In reality, since one electron is repeatedly used, if the electron source constituting the internal circuit according to the present invention is used and the fluorescent discharge lamp tube is discharged under ideal conditions, the power consumption of the fluorescent discharge lamp tube is further reduced. Although a remarkable power-saving fluorescent discharge lamp tube can be developed, the current in the discharge lamp cannot be measured directly. The power of the discharge lamp is determined from the current and voltage flowing in the external circuit, but it is still extremely reduced from the power consumption of a normal fluorescent discharge lamp. The behavior of the internal circuit electrons required for gas discharge is not simple, and using the same number of electrons will produce very different results. In order to obtain a power-saving fluorescent discharge lamp tube, it is necessary to clarify the behavior of electrons that are not simple and to optimize the behavior of the electrons.
分極絶縁体粒子表面上の累積電子から取り出した電子は、初速度がゼロに近いので、市販放電灯用蛍光体で作られた蛍光膜では問題が発生する。Applied Physics Letters, 43,pp1073-4, 1983 (非特許文献 4)の論文によれば市販蛍光体粒子には電子と正孔のトラップが不可欠に存在し、蛍光体粒子は永続性内部分極(PIP)を持つ。PIP電荷の電界が蛍光体粒子外に広がる。多くの場合、蛍光体粒子外に広がる電界は負電界である。蛍光膜に光を照射すると、捕獲電子がトラップから伝導帯に上がる結果、PIPの電界は消える。蛍光体材料は電子写真や乾式コピー機の感光材料として広く使われている。市販放電灯用蛍光体のPIPは光感光材料としての特性が弱いので、感光材料として実用されていないが、市販放電灯用蛍光体のPIPは、低いエネルギーを持って蛍光膜に接近してくる電子に対し十分に作用する。これは放電灯を使用した実験では観測が困難である。参考文献 3, pp141-149の記載によると、電子線照射下の蛍光膜の特性調査でPIPの存在を定量的に明らかに出来る。市販放電灯用蛍光体のPIPの負電界の大きさは、加速電圧を変化させた電子線を蛍光体膜に照射した実験で決定できる。測定から決定した蛍光膜上の負電位は約 110 V〜150 Vの間にある。蛍光膜に200 V以上の正電界を蛍光膜が塗布されたガラス基板の裏側から印加するとPIPの負電荷は蛍光膜から消え、正電荷が現れる。照射電子は蛍光膜に達し発光するようになる。外部電界印加によるPIPの出現と消滅する現象は電子写真や乾式コピー機の感光材料と同じで何回でも反復する。
Since the initial velocity of the electrons taken out from the accumulated electrons on the surface of the polarized insulator particles is close to zero, a problem occurs in a fluorescent film made of a phosphor for a commercial discharge lamp. According to a paper by Applied Physics Letters, 43, pp1073-4, 1983 (Non-patent Document 4), commercially available phosphor particles have indispensable traps of electrons and holes, and phosphor particles have permanent internal polarization (PIP). )have. The electric field of PIP charge spreads outside the phosphor particles. In many cases, the electric field extending outside the phosphor particles is a negative electric field. When the fluorescent film is irradiated with light, the trapped electrons rise from the trap to the conduction band, and the PIP field disappears. Phosphor materials are widely used as photosensitive materials for electrophotography and dry copying machines. The PIP of commercial discharge lamp phosphors is not practical as a photosensitive material because its characteristics as a photosensitive material are weak, but the PIP of commercial discharge lamp phosphors approaches the phosphor film with low energy It works well for electrons. This is difficult to observe in experiments using discharge lamps. According to
市販蛍光体粒子の持つPIPの存在を理解していなかった蛍光放電灯管の開発者達は、蛍光膜のPIP 負電荷の消却に苦労していた。蛍光膜の下側や表面に導電膜を付け、又は放電管の外壁面に導電膜を付けたり、放電管外壁に近い所に金属板を配置し、放電の初期にだけそれらの導体に正電位を印加する外部回路を採用し、点灯時間が秒単から分単位で変わる瞬時点灯の蛍光放電灯を開発していた。それより速い時間で点灯する方法として、電極周辺の蛍光膜の上にセシウムCs原子の薄膜を付着するか、光を蛍光膜に照射する工夫を重ねて来たが、放電開始時間の短縮は秒単位の短縮に留まっていた。既述したように放電開始時間の困難は、蛍光膜を構成する蛍光体粒子が持つPIPによる作用と関係する。蛍光膜のPIPを消去できれば、蛍光放電灯管は10ミリ秒以下の瞬時に本当に発光する。蛍光放電灯の瞬時点灯は解決が難しい課題であったので、更に詳細に述べよう。 Developers of fluorescent discharge lamps who did not understand the existence of PIP in commercially available phosphor particles had a hard time canceling out the negative PIP charge on the fluorescent film. A conductive film is attached to the underside or surface of the fluorescent film, or a conductive film is attached to the outer wall of the discharge tube, or a metal plate is placed near the outer wall of the discharge tube, and positive potentials are applied to these conductors only at the beginning of discharge. An external circuit that applies light was used to develop a fluorescent lamp that can be turned on instantaneously, with the lighting time changing from a single second to a minute. As a method to light up in a faster time, the cesium Cs atom thin film was attached on the fluorescent film around the electrode or the light was irradiated on the fluorescent film, but the discharge start time was shortened in seconds. The unit was shortened. As described above, the difficulty of the discharge start time is related to the action of PIP on the phosphor particles constituting the phosphor film. If the PIP of the fluorescent film can be erased, the fluorescent discharge lamp tube will really emit light in an instant of less than 10 milliseconds. Since the instant lighting of a fluorescent discharge lamp is a difficult problem to be solved, it will be described in more detail.
初速度がゼロに近い電子を蛍光放電管中に導入すると、蛍光体粒子のPIPによる負電荷により、電子は蛍光膜に近づけない。更にガス原子が充填したガス空間にも入れない。ガス空間はガスの最外殻電子軌道を充填している電子の負電界 (5 x 105 eV)がガス空間に広がり、その負電界に阻まれ、電子はガス空間中にも入れず、蛍光放電灯管は放電しない。ガスを放電させるには蛍光膜のPIPを変更し、各蛍光体粒子の表面に負電位が存在しないようにする必要がある。最も良い方法は、150 eV以下の低電圧電子線で発光するCL蛍光体で蛍光膜を作ると良い。この種の蛍光体は蛍光体粒子中にトラップを持たないので、PIPを持たない。低電圧CL蛍光体で蛍光膜を作ると、累積電子源から取り出した電子は、蛍光膜面上に容易に入りこみ、蛍光膜上を一方向に進み、表面伝導をする。蛍光膜上を一方向に表面伝導する電子の存在は、蛍光膜の僅かな凹凸の凸の部分に電子が当たり蛍光体粒子がCL発光するので確認できるが、その発光強度は極度に低い。蛍光体技術者と蛍光放電灯管の技術者は、発光強度が低いとしてこの低電圧CL蛍光体を無視した。本発明者は、発光強度に注目を払うよりも、何故、電子線照射下では明るいCL蛍光体の発光が蛍光放電灯管の蛍光膜では低いのかを疑問とした。低電圧CL蛍光体膜の実験は、蛍光放電灯管の放電機構の基本に関わる非常に大切な情報を提供する。本発明になる電子供給源を使い、低電圧発光CL蛍光膜を使う時、蛍光放電灯管のガス放電は、10ミリ秒以下の瞬時に起こる事実である。この事実は蛍光放電灯管の瞬時放電に対して種々の工夫が過去に試みられて来たが、それらの工夫を無意味とし、電子供給源と蛍光膜を選択してだけで、従来考えられなかった速度で蛍光放電灯管を瞬時点灯させる方法を発見した。この発見を基に、蛍光放電灯管で明るく発光する放電機構の解明を科学的に進めた。When electrons with an initial velocity close to zero are introduced into the fluorescent discharge tube, the electrons do not approach the phosphor film due to the negative charge caused by the PIP of the phosphor particles. Furthermore, it cannot enter the gas space filled with gas atoms. In the gas space, the negative electric field (5 x 10 5 eV) of the electrons filling the outermost electron trajectory of the gas spreads in the gas space and is blocked by the negative electric field. The discharge lamp tube does not discharge. In order to discharge the gas, it is necessary to change the PIP of the phosphor film so that no negative potential exists on the surface of each phosphor particle. The best method is to make the phosphor film with a CL phosphor that emits light with a low voltage electron beam of 150 eV or less. This type of phosphor does not have traps in the phosphor particles and therefore does not have PIP. When a phosphor film is made of a low voltage CL phosphor, electrons taken out from the accumulated electron source easily enter the phosphor film surface, travel in one direction on the phosphor film, and conduct the surface. The presence of electrons that are surface-conductive in one direction on the phosphor film can be confirmed because the electrons hit the slightly convex and concave portions of the phosphor film and the phosphor particles emit CL, but the emission intensity is extremely low. The phosphor engineer and the fluorescent discharge lamp tube engineer ignored this low voltage CL phosphor because of its low emission intensity. Rather than paying attention to the emission intensity, the present inventor wondered why the emission of the bright CL phosphor was low in the fluorescent film of the fluorescent discharge lamp tube under electron beam irradiation. Experiments with low-voltage CL phosphor films provide very important information about the basics of the discharge mechanism of a fluorescent discharge lamp tube. When using the electron supply source according to the present invention and using a low voltage light emitting CL fluorescent film, the gas discharge of the fluorescent discharge lamp tube is a fact that occurs instantaneously in 10 milliseconds or less. Various attempts have been made in the past for instantaneous discharge of fluorescent discharge lamp tubes. However, these ideas have been made meaningless and have only been considered in the past by selecting an electron supply source and a fluorescent film. I found a way to light a fluorescent lamp tube at an unprecedented speed. Based on this discovery, we have scientifically clarified the discharge mechanism that emits bright light in fluorescent lamps.
陰極と陽極電極間にある電界は1方向である。こう考えると電子の動きは1方向となる。1方向に動く電子がガス原子と会合できる確率を計算できる。電子の直径は 5.6 x 10-13 cmである。電子が原子と遭遇する断面積を原子の直径とすると、1方向に動く電子の体積は6 x 10-27cm3/cmとなる。常温にある1モルのガスは1気圧下で22.4 x 103cm3である。計算にLCDのバックライト用CCFL(内径0.25 mm, 管長 73 cm)を例に取ると、管の体積は23 cm3となる。封入アルゴンガスの圧力は0.1気圧(70 Torr/760 Torr)であるので、管中のArガスのモル数は 1 x 10-3モル(= 23/22.4 x 10-3)と計算できる。1モルガスのAvogadro数 は6 x 1023個であるので、CCFL管中には6x 1020 個のArガス原子が無作為に分布(ボルツマン分布)している。1方向に動く電子の体積は6 x 10-27cm3/cmであるので、1方向に動いている電子経路に含まれるArガス原子の数は 10-8となり、極度に少なく、電子はガス原子と衝突しないと考えた方が良い。電子の速度は2 x 105 cm/secである。上記計算は決定的に次の事実を示す。放電現象の解析でガス空間を1方向に進む電子を考えることはできない。結論はガス放電を解析する時に重要な結論である。The electric field between the cathode and the anode electrode is unidirectional. Considering this, the movement of electrons is one direction. The probability that an electron moving in one direction can associate with a gas atom can be calculated. The electron diameter is 5.6 x 10 -13 cm. If the cross-sectional area where an electron encounters an atom is the diameter of the atom, the volume of the electron moving in one direction is 6 x 10 -27 cm 3 / cm. One mole of gas at room temperature is 22.4 x 10 3 cm 3 at 1 atmosphere. Taking the LCD backlight CCFL (inner diameter 0.25 mm, tube length 73 cm) as an example, the volume of the tube is 23 cm 3 . Since the pressure of the enclosed argon gas is 0.1 atm (70 Torr / 760 Torr), the number of moles of Ar gas in the tube can be calculated as 1 × 10 −3 mole (= 23 / 22.4 × 10 −3 ). Since the number of Avogadro per mole gas is 6 x 10 23, 6 x 10 20 Ar gas atoms are randomly distributed (Boltzmann distribution) in the CCFL tube. Since the volume of electrons moving in one direction is 6 x 10 -27 cm 3 / cm, the number of Ar gas atoms contained in the electron path moving in one direction is 10 -8 , which is extremely small, and electrons are gas It is better to think that it does not collide with atoms. The electron velocity is 2 x 10 5 cm / sec. The above calculation shows the following fact decisively. In the analysis of the discharge phenomenon, electrons that travel in one direction in the gas space cannot be considered. The conclusion is an important conclusion when analyzing gas discharge.
蛍光膜上を一方向に表面伝導している電子がガス原子と遭遇する確率は極度に低く(10-8 /73 cm)、放電管からのガス放電は観察できない。ガスを放電させるには、1方向に伝導する表面電導電子の軌道を強制的に撹乱し、適した運動エネルギーを持った電子の軌道をガス空間の方向に曲げると良い。軌道を曲げられた加速電子はガス原子と非弾性衝突する確率が大きい。電子軌道を曲げるには、市販蛍光放電灯用蛍光体粒子のPIP電荷が適している。蛍光膜を低電圧CL蛍光体と蛍光放電灯用蛍光体粒子を適度の割合で混合し、蛍光膜を作ると上記した蛍光膜の表面伝導と軌道を曲げる両機能を兼ねた蛍光膜が出来る。The probability that an electron conducting in one direction on the fluorescent film encounters a gas atom is extremely low (10 −8 / 73 cm), and a gas discharge from the discharge tube cannot be observed. In order to discharge the gas, it is good to forcibly disturb the trajectory of the surface electric conductor conducting in one direction and bend the electron trajectory with suitable kinetic energy in the direction of the gas space. Accelerated electrons whose orbits are bent have a high probability of inelastic collision with gas atoms. To bend the electron orbit, the PIP charge of phosphor particles for commercial fluorescent discharge lamps is suitable. When a phosphor film is formed by mixing a low voltage CL phosphor and phosphor particles for a fluorescent discharge lamp at an appropriate ratio, a phosphor film having both functions of surface conduction and bending of the above-described phosphor film can be obtained.
蛍光膜を構成する蛍光体粒子の表面状態で表面伝導電子の軌道が変わる事実を立証する手法がある。それは緑色に発光するMn付活珪酸亜鉛蛍光体 (Zn2SiO4:Mn)を使用して実証できる。Zn2SiO4:Mn蛍光体は2の方法で製造できる。第一の方法は、化学量論よりも 20 %過剰なSiO2を原料に添加し、蛍光体を製造する。製造したZn2SiO4:Mn蛍光体粒子表面には、過剰な添加で反応しなかったSiO2の微粒子が付着している。付着したSiO2の微粒子は化学的にも物理的にも取り去る方法は無い。この蛍光体を蛍光放電管の内壁面に塗布し、5 kVの高電圧を電極に印加すると蛍光放電灯は明るく緑色に発光する。SiO2の微粒子は紫外線を吸収せず、帯電したSiO2微粒子の負電荷が電子をガス空間に弾く働きをする。だが、放電している電子は蛍光膜に近づけないので、陽光柱はSiO2微粒子上にできたSBE鞘の中に収められ、取り出せる蛍光膜の発光に飽和現象が現れる。同じ蛍光体をCRTの蛍光膜にし、150 eVの電子線を蛍光膜に照射しても蛍光膜は発光しない。蛍光体粒子表面に付着しているSiO2微粒子が負に帯電し、蛍光膜に近づく電子を弾くからである。今度は原料の混合時に酸化亜鉛ZnOを20 %過剰に添加し、この混合原料を使用して蛍光体を製造する。製造した蛍光体粒子の表面には未反応のZnO微粒子が沢山付着している。ZnO微粒子を化学的に取り去る目的で、製造した蛍光体粉をアンモニア水溶液(NH4OH液)でエッチングすると、ZnO微粒子が取り払われたZn2SiO4:Mn蛍光体が得られる。この蛍光体でCRT蛍光膜を作り、150 eVの電子線を蛍光膜に照射すると、蛍光膜は明るい緑色のCLで発光する。同じ蛍光体を蛍光放電灯管の内壁面に塗布し、高電圧を電極に印加する。蛍光放電灯は非常に暗い緑色に発光する。次にSiO2を過剰に添加して作った蛍光体粉と、ZnO過剰で作りNH4OH液でエッチングした蛍光体粉を重量比で7対3の割合で機械的に混合する。この混合蛍光体粉を蛍光放電管の内壁面に塗布する。蛍光放電灯管はSiO2過剰で作った単独蛍光膜よりも明るく(30% 増加)発光する蛍光放電灯管が得られる。上記した実験はCL発光で明るいが、蛍光放電灯管の蛍光膜では暗く発光する蛍光体の使用で追試できる。例えば、表面が化学的にも物理的にも清浄なY2O2S:Tb 緑色発光蛍光体の場合がある。この実験事実は、明るく発光する蛍光放電灯管を製造する上で考慮しなければならない重要項目を明確に示す。There is a technique to prove the fact that the orbit of surface conduction electrons changes depending on the surface state of the phosphor particles constituting the phosphor film. It can be demonstrated using a green-emitting Mn-activated zinc silicate phosphor (Zn 2 SiO 4 : Mn). The Zn 2 SiO 4 : Mn phosphor can be manufactured by two methods. In the first method, a phosphor is produced by adding SiO 2 in excess of 20% over the stoichiometry to the raw material. On the surface of the manufactured Zn 2 SiO 4 : Mn phosphor particles, SiO 2 fine particles that did not react due to excessive addition are adhered. There is no method for removing the adhered fine particles of SiO 2 either chemically or physically. When this phosphor is applied to the inner wall surface of the fluorescent discharge tube and a high voltage of 5 kV is applied to the electrodes, the fluorescent discharge lamp emits bright green light. The fine particles of SiO 2 do not absorb ultraviolet rays, and the negative charge of the charged SiO 2 fine particles works to repel electrons into the gas space. However, since the discharged electrons do not approach the phosphor film, the positive column is housed in the SBE sheath formed on the SiO 2 fine particles, and a saturation phenomenon appears in the emission of the phosphor film that can be taken out. Even if the same phosphor is used as a CRT phosphor film and a 150 eV electron beam is applied to the phosphor film, the phosphor film does not emit light. This is because the SiO 2 fine particles adhering to the phosphor particle surface are negatively charged and repel electrons approaching the phosphor film. This time, zinc oxide ZnO is added in excess of 20% at the time of mixing raw materials, and a phosphor is manufactured using the mixed raw materials. Many unreacted ZnO fine particles are adhered to the surface of the manufactured phosphor particles. For the purpose of chemically removing the ZnO fine particles, the produced phosphor powder is etched with an aqueous ammonia solution (NH 4 OH solution) to obtain a Zn 2 SiO 4 : Mn phosphor from which the ZnO fine particles have been removed. When a CRT phosphor film is made of this phosphor and a 150 eV electron beam is irradiated onto the phosphor film, the phosphor film emits light with bright green CL. The same phosphor is applied to the inner wall surface of the fluorescent discharge lamp tube, and a high voltage is applied to the electrodes. Fluorescent discharge lamps emit very dark green light. Next, the phosphor powder prepared by adding SiO 2 in excess and the phosphor powder prepared by adding ZnO and etched by NH 4 OH solution are mechanically mixed at a ratio of 7 to 3 by weight. This mixed phosphor powder is applied to the inner wall surface of the fluorescent discharge tube. The fluorescent discharge lamp tube emits brighter (30% increase) light than a single fluorescent film made with SiO 2 excess. The above experiment is bright with CL light emission, but can be re-examined by using a phosphor that emits light dark in the fluorescent film of the fluorescent discharge lamp tube. For example, there may be a Y 2 O 2 S: Tb green-emitting phosphor whose surface is chemically and physically clean. This experimental fact clearly shows the important items that must be taken into account when manufacturing a fluorescent discharge lamp tube that emits bright light.
内径が25 mm以上の蛍光放電灯管は、資源が豊富にある安価で1種類の蛍光体で白色に発光するアンチモンとマンガン2重付活になるハロ燐酸カルシウム蛍光体 [3Ca3(PO4)2 CaFCl:Sb:Mn]が長い間使用されて来た。3Ca3(PO4)2CaFCl:Sb:Mn蛍光体は内径が10 mm以下の蛍光放電灯では輝度が非常に暗くて使えず、資源の枯渇が心配される10倍以上も高価な三色希土類蛍光体を混合した白色発光蛍光膜が使われる。3Ca3(PO4)2CaFCl:Sb:Mnが内径の小さい蛍光放電灯管に使用できない理由を出版書籍で探しても見つからない。本発明者はその理由を調べた。3Ca3(PO4)2CaFCl:Sb:Mn蛍光体の発光はSb3+発光中心をUVで直接刺激し、Sb3+が発光した青色発光を同一粒子内のMn2+に吸収させ黄色のMn2+を発光させる。Sb3+とMn2+の二つの発光で白色を一個の蛍光体粒子中で得ている。発光過程に基体結晶の吸収が関与しないので、この蛍光体は電子の照射下で絶縁体結晶の特性を持つ。絶縁体結晶粒子は放電管内に置かれると粒子表面に強いSBEを容易に形成する。その結果、ガス放電の陽光柱はBSE鞘に納まる。放電管径を狭くすると、蛍光膜上のSBEの強度は変わらないので、陽光柱の直径のみが狭くなり、ガス放電量が飽和する。Zn2SiO4:Mn蛍光体の所で述べたと同じように、3Ca3(PO4)2CaFCl:Sb:Mn蛍光体粉に重量比で30%の低電圧で白色発光するCLZnO蛍光体粉を機械混合する。混合蛍光体粉を内径が 10 mmのCCFL蛍光放電灯管の内壁面に塗布する。このCCFLは瞬時に放電し、内径25 mm以上の従来の蛍光放電灯管の蛍光膜の輝度よりも明るく白色に発光する。上記した実験は、蛍光放電灯管内の蛍光膜が明るく発光する具備条件を示す。Fluorescent discharge lamps with an inner diameter of 25 mm or more are abundant, inexpensive, one-type phosphors that emit white light with antimony and manganese double-activated calcium halophosphate phosphors [3Ca 3 (PO 4 ) 2 CaFCl: Sb: Mn] has been used for a long time. 3Ca 3 (PO 4 ) 2 CaFCl: Sb: Mn phosphors are three-dimensional rare earths that are 10 times more expensive than the fluorescent lamps with an inner diameter of 10 mm or less. A white light-emitting phosphor film mixed with a phosphor is used. I can't find the reason why 3Ca 3 (PO 4 ) 2 CaFCl: Sb: Mn cannot be used in a fluorescent discharge lamp tube with a small inner diameter even if I look in a published book. The inventor investigated the reason. 3Ca 3 (PO 4 ) 2 CaFCl: Sb: Mn phosphor emits yellow light by directly stimulating the Sb 3+ emission center with UV, and absorbing the blue light emitted by Sb 3+ into Mn 2+ in the same particle. Causes Mn 2+ to emit light. White light is obtained in one phosphor particle by two emission of Sb 3+ and Mn 2+ . Since the absorption of the base crystal is not involved in the light emission process, this phosphor has the characteristics of an insulator crystal under electron irradiation. Insulator crystal particles easily form strong SBE on the particle surface when placed in a discharge tube. As a result, the positive column of gas discharge fits in the BSE sheath. When the discharge tube diameter is narrowed, the intensity of SBE on the phosphor film does not change, so only the diameter of the positive column is narrowed and the gas discharge amount is saturated. As described for Zn 2 SiO 4 : Mn phosphor, CLZnO phosphor powder that emits white light at a low voltage of 30% by weight is added to 3Ca 3 (PO 4 ) 2 CaFCl: Sb: Mn phosphor powder. Mix mechanically. Apply the mixed phosphor powder to the inner wall of a CCFL fluorescent discharge lamp with an inner diameter of 10 mm. This CCFL discharges instantaneously and emits white light brighter than the brightness of the fluorescent film of a conventional fluorescent discharge lamp tube having an inner diameter of 25 mm or more. The above-described experiment shows the conditions under which the fluorescent film in the fluorescent discharge lamp tube emits light.
ガス空間を移動する電子の挙動を更に詳しく調べる。一般的に言えば、加速電子の非弾性衝突により、ガス原子の励起とイオン化が起こる。加速された電子がガス原子を励起するに適切な大きさのエネルギーを持った時、ガス原子の励起だけが起り、光を放出(放電)する。ガス原子と非弾性衝突した電子はエネルギーを失い、軌道を変えるがガス空間中に留まり、次の高周波の波により再加速され、他のガス原子と非弾性衝突をする。この繰り返しで電子は放電管中の陽光柱の中を対極に向かって進む。1電子が非弾性衝突間に進む距離(平均自由工程)はPaschen曲線の測定で決まり (pd)で求められる。求められた平均自由工程はHCFLでは10 μm, CCFLでは0.2 μm前後である。陰極と陽極間に印加する電位から単位長さの電界強度を計算し、平均自由工程内の電界強度を計算する。代表的なCCFLの管長は73 cmで電極間に印加するピーク電位は1,200 Vであるので、ピーク電圧下でも0.2 x 10-3 V/0.2 μmと計算される。この値は電子の非弾性衝突でHg蒸気を励起するに必要なエネルギー(10.4 eV)に程遠い。一般に考慮されている陽光柱の電位勾配で電子が加速する思考では、非弾性衝突してエネルギーを失った電子を加速できない。従来の思考の誤りである。The behavior of electrons moving in the gas space will be examined in more detail. Generally speaking, gas atoms are excited and ionized by inelastic collisions of accelerated electrons. When the accelerated electrons have energy of an appropriate magnitude to excite the gas atoms, only the gas atoms are excited and emit light (discharge). Electrons that have inelastically collided with gas atoms lose energy, change their orbit, but remain in the gas space, are re-accelerated by the next high-frequency wave, and inelastically collide with other gas atoms. By repeating this, electrons travel in the positive column in the discharge tube toward the counter electrode. The distance that one electron travels between inelastic collisions (mean free path) is determined by measuring the Paschen curve and is obtained by (pd). The calculated mean free path is about 10 μm for HCFL and about 0.2 μm for CCFL. The electric field strength of unit length is calculated from the potential applied between the cathode and the anode, and the electric field strength in the mean free process is calculated. Since the typical CCFL tube length is 73 cm and the peak potential applied between the electrodes is 1,200 V, it is calculated to be 0.2 × 10 −3 V / 0.2 μm even under the peak voltage. This value is far from the energy (10.4 eV) required to excite Hg vapor by electron inelastic collisions. The thought that electrons are accelerated by the potential gradient of the positive column, which is generally considered, cannot accelerate electrons that have lost energy due to inelastic collisions. It is a mistake in conventional thinking.
既に述べたように電子の質量は9 x 10-28 グラム、イオンの質量は2 x 10-24グラムである。電荷量は共に1.6 x 10-19 クーロンで変わらない。軽い電子は、高周波電界の波に乗り、容易に動くと仮定すると、経験的に求めた最適高周波の1波長と実験で求めた平均自由工程は一致するはずである。経験的に求めたCCFLに印加する最適高周波の1波長の長さ(λcal)を計算すると印加周波数により、1波長の長さが下記のように変わる。
(1) λcal = 0.2 μm = 0.2 x 10-4 cm (= 1cm/50 x 103Hz) 50 kHz
(2) λcal = 0.3 μm = 0.3 x 10-4 cm (= 1cm/30 x 103Hz) 30 kHz
(3) λcal = 1.0 μm = 1.0 x 10-4 cm (= 1cm/10 x 103Hz) 10 kHz
(4) λcal = 10 μm = 1.0 x 10-4 cm (= 1cm/1 x 103Hz) 1 kHz
上記波長は、実験で求めた平均自由工程と測定の誤差範囲で一致する。この一致は、非弾性衝突をした最初の電子は、ガス空間から消える事無く、再度高周波電界の波(ピーク電圧が1,500 V)に乗りエネルギーを高周波電界から得ていることを示す。即ち、ガス空間に存在する電子は、放電管内の途中で消滅する事無く、高周波に共鳴し、放電管中を軸方向に進み、ガス原子と非弾性衝突を繰り返す。蛍光放電管中にできる陽光柱は、ガス原子の励起エネルギーに相当する電子が高周波と共鳴し、同じ電子が繰り返しガス原子を励起して出来ている。電子が高周波と共鳴して放電管中を軸方向に進むモデルを採用すると、陽光柱中の電位勾配はゼロとなる。過去の多くの測定データーを検証すると、そのようなデーターが1900年代の報告で幾つか見つかる。陽光柱中に電位勾配があり、電子は電位勾配で加速されるとする最近の測定データーの信頼性は測定技術に問題があり、測定法の確認が待たれる。また加速電子とガス原子の衝突で電子数が雪崩式に増加するとの説明は、陰極と陽極で検出される電子数が同じであるので受け難い。蛍光膜を構成する個々の蛍光体粒子の帯電状況を最適化するとき、高周波電界の波のピーク電位は大幅に減少する。電子の高周波共鳴は電子の動きを巨視的に見た時であり、微視的に電子挙動を見ると、一波長内の電子の挙動は、蛍光膜を構成する蛍光体粒子の表面荷電状態に大きく影響を受ける。As already mentioned, the mass of electrons is 9 x 10 -28 grams, and the mass of ions is 2 x 10 -24 grams. The amount of charge is 1.6 x 10 -19 coulombs, both unchanged. Assuming that a light electron rides a wave of a high-frequency electric field and moves easily, the empirically determined optimal high-frequency wavelength should match the experimentally determined mean free path. When the length of one wavelength (λ cal ) of the optimum high frequency applied to the CCFL obtained empirically is calculated, the length of one wavelength changes as follows according to the applied frequency.
(1) λ cal = 0.2 μm = 0.2 x 10 -4 cm (= 1cm / 50 x 10 3 Hz) 50 kHz
(2) λ cal = 0.3 μm = 0.3 x 10 -4 cm (= 1cm / 30 x 10 3 Hz) 30 kHz
(3) λ cal = 1.0 μm = 1.0 x 10 -4 cm (= 1cm / 10 x 10 3 Hz) 10 kHz
(4) λ cal = 10 μm = 1.0 x 10 -4 cm (= 1cm / 1 x 10 3 Hz) 1 kHz
The above-mentioned wavelength agrees with the mean free process obtained by experiment and the measurement error range. This coincidence indicates that the first electron that has made an inelastic collision does not disappear from the gas space, but again gets the energy from the high-frequency electric field by riding on the wave of the high-frequency electric field (peak voltage is 1,500 V). That is, the electrons existing in the gas space do not disappear in the middle of the discharge tube, resonate with a high frequency, travel in the discharge tube in the axial direction, and repeat inelastic collisions with gas atoms. The positive column formed in the fluorescent discharge tube is formed by the electrons corresponding to the excitation energy of the gas atoms resonating with the high frequency and the same electrons repeatedly exciting the gas atoms. If a model is adopted in which electrons resonate with high frequency and travel in the axial direction in the discharge tube, the potential gradient in the positive column becomes zero. By examining a lot of past measurement data, several such data can be found in reports from the 1900s. The reliability of recent measurement data that there is a potential gradient in the positive column and electrons are accelerated by the potential gradient has a problem in the measurement technique, and confirmation of the measurement method is awaited. The explanation that the number of electrons increases in an avalanche manner due to collision of accelerated electrons and gas atoms is difficult to receive because the number of electrons detected at the cathode and the anode is the same. When optimizing the charging state of the individual phosphor particles constituting the phosphor film, the peak potential of the wave of the high-frequency electric field is greatly reduced. High-frequency resonance of electrons is when the movement of electrons is viewed macroscopically. When the behavior of electrons is viewed microscopically, the behavior of electrons within one wavelength changes to the surface charge state of the phosphor particles constituting the phosphor film. It is greatly affected.
現在の高周波条件(50 kHz)では平均自由工程は0.2 μm である。一方、蛍光体粒子の平均粒子径は4 μmであるので、高周波に共鳴した電子は一個の蛍光体表面を通過する間に、20回も同一蛍光体表面に達していると計算される。一部の電子は高速に加速され蛍光膜のCL蛍光体粒子に突入するが、参考文献1の記載によればCL蛍光体表面にはSBEが形成できず、表面伝導電子に変わる。電子は上記した動きの繰り返しにより放電管中を管軸方向に進み、放電灯管の他端にある累積イオンに到達し、イオンと再結合しガス原子に戻る。効率の良い蛍光放電灯管の蛍光膜は、電子の表面伝導を許すと同時に、表面電導する電子軌道を曲げ、ガス空間に向かわせる機能も持ち合わせなければならない。上記した蛍光膜の大きな特徴は、蛍光膜は暗所でも瞬時に点灯する。更に、電子が蛍光体粒子に突入した時に発生するSBEも発生しないので、SBE鞘も無くなり、蛍光膜の輝度が増加する。従来の蛍光膜の使用では解決不能とされた大きな垣根が本発明で取り去られた。以上の記載で電子供給源と蛍光膜、ガス放電に関する問題点の全ては解決できた。
Under the current high frequency conditions (50 kHz), the mean free path is 0.2 μm. On the other hand, since the average particle diameter of the phosphor particles is 4 μm, it is calculated that electrons resonating with a high frequency reach the
本発明は蛍光放電灯管のガス原子を最大限に放電させると同時に、FLの駆動電力を最小値に引き下げた高輝度で省電型蛍光放電灯管を提供する。本発明になる蛍光放電灯のもう1つの特徴は蛍光ランプの操作寿命を極度に引き伸ばし、人は生涯に1つの蛍光放電灯管を購入すれば良い様にする。そうすれば一個当たりの蛍光放電灯管製造の生涯使用電力を極度に引き下がる。近年問題と成っている環境保護の課題に大きく貢献する蛍光放電灯を提供する。 The present invention provides a high-intensity, energy-saving fluorescent discharge lamp tube in which the gas atoms of the fluorescent discharge lamp tube are discharged to the maximum and at the same time the driving power of the FL is reduced to a minimum value. Another feature of the fluorescent lamp according to the present invention is that it greatly extends the operating life of the fluorescent lamp so that one can purchase one fluorescent discharge lamp tube in his lifetime. This will drastically reduce the lifetime power used to manufacture each fluorescent discharge lamp tube. Provided is a fluorescent discharge lamp that greatly contributes to the problem of environmental protection, which has become a problem in recent years.
1 蛍光放電灯管(又はガラス管)
2 金属電極
3 金属電極
4 絶縁体粒子
5 ガス放電
6 外部電源(高周波電源)
7 電子源(電子供給源)
8 イオン源(正イオン源)
9 蛍光放電灯管(又はガラス管)
10 蛍光膜(又は蛍光体膜)
11 陽光柱
12 外部回路
13 コンデンサー
14 誘導電流
15 内部回路
16 電子源(電子供給源)
17 イオン源(正イオン源又は累積正イオン)
18 リード電極
19 釣鐘型電極
20 小ガラス管
21 平板状金属電極
22 棒状金属電極
23 ガラスフリット
24 PIPを持つ蛍光膜(市販PL蛍光体膜)
25 PIPを持たない蛍光膜(CL蛍光体膜)
26 PIP(PIP負電荷又はPIP鞘)
28 フィラメント電極
28a フィラメント電極断線部
28c フィラメント電極の一端
28d フィラメント電極の他端
30 金属陰極
CCFL 冷陰極蛍光放電灯管
CL 電子線発光(Cathode Luminescence)
e 電子(放出電子)
EL 無機電界発光
FL 蛍光放電灯
h 正孔
HCFL 熱陰極電極
LED 発光ダイオード
LCD 液晶ディスプレイ
OLED 有機電界発光ディスプレイ
PIP 永続性内部分極
PL 光発光(Photo Luminescence)
SBE 表面結合電子(surface-bound-electrons)
UV 紫外線1 Fluorescent discharge lamp tube (or glass tube)
2
7 Electron source (Electron supply source)
8 Ion source (positive ion source)
9 Fluorescent discharge lamp tubes (or glass tubes)
10 Fluorescent film (or phosphor film)
DESCRIPTION OF
17 Ion source (positive ion source or cumulative positive ion)
18
25 Fluorescent film without PIP (CL phosphor film)
26 PIP (PIP negative charge or PIP sheath)
28
e Electron (Emission electron)
EL Inorganic electroluminescence FL Fluorescent discharge lamp h Hole HCFL Hot cathode electrode LED Light emitting diode LCD Liquid crystal display OLED Organic electroluminescence display PIP Permanent internal polarization PL Light emission (Photo Luminescence)
SBE surface-bound-electrons
UV UV
本発明の内容を添付した図面を使用して詳細に説明する。説明に当たり蛍光放電灯(FL)の点灯は、駆動回路に接続した金属電極に電圧を印加し、放電灯管内のガスを放電させ、ガスの励起により発光した不可視の紫外線を放電灯管ガラス内壁面に塗布した蛍光膜により可視光に変換するまでの工程をさす。本発明になる蛍光放電灯管は、金属電極に電圧を印加し、蛍光放電灯管を点灯するが、放電に必要な電子は、従来の蛍光放電灯管のように電源回路に接続した金属電極から直接に放電管内に注入しない。高周波点灯している放電灯管内部にイオン化により形成された電子を絶縁体粒子表面に累積して出来た新規の電子源から電子をガス空間に取り出し、この電子をガス放電に関与させた後、放電管の他端に集積するイオンと再結合させ、内部回路が閉じる。即ち、蛍光放電灯管の点灯に、放電灯外部から電子を放電灯管内に注入せず、放電灯管内部で電子を調達し、放電灯管内で調達した電子の全てが消費される。ガス空間に入った電子は消える事無く、同じ電子がガス原子と非弾性衝突を何度も繰り返し、放電灯管内を軸方向に進む。ガス放電に必要な電子数は、放電灯管が含有するガス原子の数よりも少なくなる。内部電流量は放電灯管あたり0.1〜1mAと計算されるが、内部電流を直接に測定する方法が無いので確認できない。蛍光放電灯管の消費電力は、外部回路に流れる電流と電圧の測定で決めている。本発明になる蛍光放電灯管の消費電力も外部回路の電流と電圧の測定で決めるが、放電灯内部の消費電力と1対1で対応していない。外部回路に流れる電流は金属電極を覆う絶縁体粒子の分極と分極解離に要する誘電電流であり、金属電極を覆う絶縁体粒子数に比例して増減する。金属電極の面積を最小化すると絶縁体粒子数も減少し、外部回路の誘導電流も最小化し、見掛け上蛍光放電灯の消費電力は減少する。本発明になる蛍光放電灯管は、この見かけ上の消費電力を従来の蛍光放電灯の消費電力の数分の一に減少する。更に、本発明になる電子供給源の使用では放電ガスに露出した金属は皆無であるので、陽イオンによる金属スッパターは起こらず、スッパターによる電子供給源の減少は皆無である。蛍光放電灯管内に有機残留ガスが存在しない場合、放電管内に輝度を減少させる要因はなくなる。その結果、蛍光放電灯管の点灯寿命が従来の蛍光放電灯管では考えられない驚異的な長さに延長する。点灯寿命は初期輝度を100,000時間以上も保持する。 The contents of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. For the explanation, the fluorescent discharge lamp (FL) is turned on by applying a voltage to the metal electrode connected to the drive circuit, discharging the gas in the discharge lamp tube, and invisible ultraviolet light emitted by the excitation of the gas in the discharge lamp glass. This refers to the process until conversion to visible light by the fluorescent film applied to the wall surface. The fluorescent discharge lamp tube according to the present invention applies voltage to the metal electrode to light the fluorescent discharge lamp tube, but the electrons necessary for the discharge are the metal electrode connected to the power supply circuit as in the conventional fluorescent discharge lamp tube. Do not inject directly into the discharge tube. After taking out the electrons formed by ionization inside the discharge lamp tube which is lit at high frequency from the new electron source made by accumulating on the surface of the insulator particles, the electrons are involved in the gas discharge. Recombination with ions accumulated at the other end of the discharge tube closes the internal circuit. That is, when the fluorescent discharge lamp tube is turned on, electrons are not injected into the discharge lamp tube from the outside of the discharge lamp, but are procured inside the discharge lamp tube, and all of the electrons procured in the discharge lamp tube are consumed. The electrons that have entered the gas space do not disappear, but the same electrons repeatedly inelastically collide with the gas atoms many times and advance in the discharge lamp tube in the axial direction. The number of electrons required for gas discharge is less than the number of gas atoms contained in the discharge lamp tube. Although the amount of internal current is calculated to be 0.1 to 1 mA per discharge lamp tube, it cannot be confirmed because there is no method for directly measuring the internal current. The power consumption of the fluorescent discharge lamp tube is determined by measuring the current and voltage flowing in the external circuit. The power consumption of the fluorescent discharge lamp tube according to the present invention is also determined by measuring the current and voltage of the external circuit, but does not correspond one-to-one with the power consumption inside the discharge lamp. The current flowing in the external circuit is a dielectric current required for polarization and polarization dissociation of the insulator particles covering the metal electrode, and increases or decreases in proportion to the number of insulator particles covering the metal electrode. Minimizing the area of the metal electrode also reduces the number of insulator particles, minimizes the induced current in the external circuit, and apparently reduces the power consumption of the fluorescent discharge lamp. The fluorescent discharge lamp tube according to the present invention reduces this apparent power consumption to a fraction of the power consumption of the conventional fluorescent discharge lamp. Furthermore, in the use of the electron supply source according to the present invention, since no metal is exposed to the discharge gas, metal spatter due to cations does not occur, and there is no decrease in the electron supply source due to the sputter. When there is no organic residual gas in the fluorescent discharge lamp tube, there is no cause for reducing the luminance in the discharge tube. As a result, the lighting life of the fluorescent discharge lamp tube is extended to an astonishing length that is unthinkable with conventional fluorescent discharge lamp tubes. The lighting life keeps the initial brightness for more than 100,000 hours.
本発明になる蛍光放電灯管内の電子の動きは、固体と液体中の電子の動きとは異なる。原子が規則正しく配列している固体中の電子電導は、格子振動(電気抵抗)に規制される。無秩序に原子が配列している液体中の電子伝導は、イオンまたは電子濃度に比例する。蛍光放電灯内の放電は電子が担うがその電子の挙動は、固体や液体の場合と異なり、遙かに大きな影響を蛍光膜の荷電分布から受け、その影響下で挙動が決まるので、放電灯管内の電子の挙動にはオームの法則は通用しない。蛍光放電灯管内の蛍光膜上には、(a)励起ガス原子が発した紫外線光子、(b)ガスと非弾性衝突して散乱した電子、(c)散乱電子が高周波電界と共鳴し、高周波電界場から得た高エネルギー電子である。紫外線光子は無電荷であるので蛍光膜上の電荷の作用は受けない。過去の放電で見過ごされていた点は、負電荷を持って移動している電子は、蛍光膜中の各蛍光体粒子の電荷の影響を顕著に受け電子軌道の方向を変える。個々の蛍光体粒子が持つ負電荷には、蛍光体粒子が内部分極による固有電荷(PIP)と蛍光体粒子表面に出来る表面結合電子(SBE)がある。SBEは蛍光体粒子表面に微少絶縁体が付着していると微少絶縁体に不可避に現れる。SBEの負電界により、蛍光体粒子は隠蔽される。蛍光膜上にあるこれ等の負電界は、クーロン反発力により蛍光膜への電子接近を遠ざける結果、ガス放電路はSBE負電荷の鞘に収まり、蛍光膜からSBEの電荷量により決まる距離を隔ててガス放電路(陽光柱)は存在する。陽光柱と蛍光膜の間隙には非励起Hgガスが存在し、ガス放電路から放射する254 nm 紫外線を効率よく吸収する結果、蛍光膜に到達する254 nm 紫外線量が飽和する。即ち、SBE鞘の存在が、従来の蛍光放電灯管の輝度の飽和現象になり、輝度の最大値を規制していた。本発明はSBEを取り去った蛍光体粒子とSBEを保持している蛍光体粒子とを適切な割合で混合し、その混合体で蛍光膜を作り、蛍光膜から高輝度が得られる事を発見し、高輝度、長寿命で、消費電力を顕著に低減した新規構造からなる蛍光放電灯を提供する。 The movement of electrons in the fluorescent discharge lamp tube according to the present invention is different from the movement of electrons in solid and liquid. Electronic conduction in a solid in which atoms are regularly arranged is regulated by lattice vibration (electric resistance). Electronic conduction in a liquid in which atoms are randomly arranged is proportional to the ion or electron concentration. Unlike the case of solids and liquids, the electrons in the fluorescent discharge lamp are responsible for the discharge. The behavior of the electrons is greatly affected by the charge distribution of the fluorescent film, and the behavior is determined under that influence. Ohm's law is not valid for the behavior of electrons in the tube. On the fluorescent film in the fluorescent discharge lamp tube, (a) ultraviolet photons emitted by excited gas atoms, (b) electrons scattered by inelastic collision with the gas, (c) scattered electrons resonate with the high-frequency electric field, High-energy electrons obtained from a high-frequency electric field. Since ultraviolet photons are uncharged, they are not affected by the charge on the phosphor film. The point that has been overlooked in the past discharge is that electrons moving with a negative charge are significantly affected by the charge of each phosphor particle in the phosphor film and change the direction of the electron trajectory. The negative charges possessed by individual phosphor particles include intrinsic charges (PIP) due to internal polarization of the phosphor particles and surface-bound electrons (SBE) formed on the phosphor particle surface. SBE inevitably appears in the micro insulator when the micro insulator is attached to the phosphor particle surface. The phosphor particles are concealed by the negative electric field of SBE. These negative electric fields on the fluorescent film move the electrons closer to the fluorescent film due to the Coulomb repulsive force, so that the gas discharge path fits in the SBE negative charge sheath and is separated from the fluorescent film by a distance determined by the amount of SBE charge. There is a gas discharge path (positive column). The non-excited Hg gas exists in the gap between the positive column and the fluorescent film, and as a result of efficiently absorbing the 254 nm ultraviolet light emitted from the gas discharge path, the amount of 254 nm ultraviolet light reaching the fluorescent film is saturated. That is, the presence of the SBE sheath becomes a saturation phenomenon of the brightness of the conventional fluorescent discharge lamp tube, and regulates the maximum brightness. The present invention has found that phosphor particles from which SBE has been removed and phosphor particles holding SBE are mixed at an appropriate ratio, and a phosphor film is formed from the mixture, so that high brightness can be obtained from the phosphor film. The present invention provides a fluorescent discharge lamp having a novel structure with high brightness, long life and significantly reduced power consumption.
図1は、本発明におけるFLの放電機構の原理を図解した説明図である。放電灯の駆動回路と直結した金属電極2と3をガス放電灯管1内に入れ、放電灯外にある電源6より交流高周波電界を金属電極に印加する。説明を容易にする目的で、図1では各金属電極2と3上にそれぞれ一個の絶縁体粒子4を置く。金属電極2と3に電圧を印加すると、絶縁体粒子4は、図1に示した分極方向で瞬時に分極する。一般に絶縁体粒子の誘電率εは大きいので、絶縁体粒子4に誘起した分極電荷の電位は、金属電極2と3の電位よりε倍高い。絶縁体粒子4に誘起した分極電荷の内、ガス空間側の電荷は電界をガス空間に広げる。絶縁体粒子4と金属電極2と3がac高周波電界中に置かれた時、金属電極周辺のガスは瞬時にac高周波電界によりイオン化し、電子e−とイオンAr+が相互作用を持たない距離に分離する。即ち、自由電子と自由イオンとなる。自由電子と自由イオンはそれぞれガス空間中を対極となる誘電体分極に引き寄せられる。引き寄せられた自由電子(と自由イオン)は絶縁体粒子内に突入するだけのエネルギーを持たず、自由電子は絶縁体内の正電荷と界面を介して結合する。この繰り返しにより、時間の経過と共に結合電子が絶縁体粒子表面に累積し、電子供給源7が絶縁体粒子4の表面に形成される。同様にしてAr+ によるイオン源8が絶縁体粒子4の表面に形成される。蛍光放電灯管内のガス発光は電子源7から取り出された電子が移動し、Ar+の正イオン8に届く間で起こる。上記したように放電に必要な全電子は放電灯管内で調達し、管内で消費され、ガス放電5に必要な電子は放電灯管外からは全然供給されない。これが本発明になる電子源7の形成と放電5の特徴である。FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating the principle of the FL discharge mechanism in the present invention. The
図2は本発明になる蛍光放電灯の点灯時に存在する2つの等価回路を示し、放電灯を実質的に駆動する外部回路12と放電灯管内部で放電を担当する内部回路15を図示する。図2(A)に図示した外部回路12は2つのコンデンサー13と電源6から成る。コンデンサー13は、実質的に金属電極2と3を覆う絶縁体粒子4である。外部回路12には、ac高周波による駆動時、絶縁体粒子4の分極と分極解離をする(コンデンサーと等価)誘導電流14が流れる。外部回路12には更に放電灯内部で電子が動くと、その放電管内部の電子流による誘導電流14が流れるが、その大きさは小さい。外部回路12にdc電圧を印加するとき、外部回路12に電流は流れず,放電灯管は放電しない。図2(B)に図示した内部回路15は、電子供給源16と累積した正イオン源17と、放電管内で放電している陽光柱11からなる。放電は、電子供給源16と累積正イオン源17間の電子移動で発生する。図から明らかなように、蛍光放電灯の内部回路15と外部回路12の間には、直接な電子の流れが無い。
FIG. 2 shows two equivalent circuits that exist when the fluorescent discharge lamp according to the present invention is lit, and shows an
図3は、本発明の電子源7を使用し、蛍光放電灯9の操作を示す略図である。蛍光放電灯の容器は真空封止したガラス管9で作られる。ガラス管9内には、多数の絶縁体粒子4で覆われた金属電極2と3が内蔵され、ガラス管9の内壁面には蛍光膜10 が蛍光体粒子(大きさが4 μm前後)の適度の厚さで塗布されている。ガス放電の陽光柱11は蛍光膜10に接近できず、蛍光膜から僅かに距離を置きガラス管9の中央に配置される。陽光柱11で発光したUV光は電荷を持たないので、蛍光膜内の蛍光体粒子の電荷に影響を受けずに蛍光膜10に到達し、蛍光膜10で可視光に変換される。陽光柱11と蛍光膜10の間に非励起の水銀蒸気が存在する。この非励起の水銀蒸気が、陽光柱11で発光したUV光を蛍光膜に到達する前に吸収(自己吸収)するので、発光に飽和現象が現れる。詳細は後述の蛍光膜のところで述べる。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the operation of the
本発明は補完する二つの部分から成立している。第一は蛍光放電灯内で電子の供給源となる金属電極上の絶縁体粒子表面に出来る電子源16と累積正イオン17である。第二は放電灯管内を移動し、ガスの発光を生起する電子の振る舞いが、蛍光膜を構成する各蛍光体粒子の電荷による作用を受けるので、影響を与える蛍光体粒子の電荷の最適条件を見いだす作業である。
The present invention consists of two complementary parts. The first is the
本発明になる蛍光放電灯は、電子供給源として熱陰極を使わない。本発明になる新規な電子源は,冷陰極(CCFL)の金属電極を絶縁体粒子で蔽い、絶縁体粒子上に累積する電子を供給源とする。基材はCCFLの金属電極である。図4はCCFLで考慮された冷陰極電極の中で、一般的に使われる金属電極の表面を絶縁体粒子4で覆った電極構造を示す。最も一般的に使われる金属電極は、図4(A)に示した釣鐘型電極19である。この釣鐘型電極19を使用することはできるが、釣鐘型電極19は表面積が大きく、表面を覆う絶縁体粒子数が多くなり、絶縁体粒子の充放電で外部回路に大きな誘導電流が流れるので、実用で不利益になる。絶縁体粒子の充放電で流れる外部回路の誘導電流を最小にするには、金属電極の形状を平板状にすると良い。図4(B)は平板状金属電極21を使用し、平板状金属電極21の放電ガス面に絶縁体粒4を付着させてある。この電極構造では絶縁体表面に存在する電子の取り出しに顕著な異方性が現れる。前記釣鐘型電極19及び平板状金属電極21には外部電圧印加用のリード電極18が接続されている。Physical Review Letters,Vol. 27, 1971, P1345の論文 (非特許文献5)に従えば、電子は絶縁体界面に沿う平行方向に移動すると移動性が高いが、表面に対し垂直方向に電子を取り出すと移動性は悪い。従来の蛍光放電灯では電子を陰極面に直角方向で取り出していたので、取り出した電子による放電で問題が出ていた。蛍光放電灯を瞬時に放電させるには、電子をガス空間に直接入れるのでなく、電子供給源から先ず電子を蛍光膜上に取り出し、この電子を加速させた後にガス空間に向かって散乱させる順序を踏むと、10ミリ秒以下の速度で蛍光放電灯管が点灯する。金属電極21はこの順序になる電子の取り出しに非常に適している。しかも、平板状金属電極21から取り出す電子は、蛍光放電灯管の管端から1mmから3mmの間の電子を取り出せるので、蛍光膜を管端から1mm付近まで塗布しておけば、蛍光放電灯管の全長が均一に発光する。従来のCCFLでは金属電極の大きさにより、管端から10 mm以上、HCFLでは熱陰極の大きさによりさらに長く2から3 cmの間が暗くなる欠点があった。この問題は、本発明になる図4(B)の平板状金属電極21を採用するとき解決する。
The fluorescent discharge lamp according to the present invention does not use a hot cathode as an electron supply source. In the novel electron source according to the present invention, the cold cathode (CCFL) metal electrode is covered with insulator particles, and electrons accumulated on the insulator particles are used as a supply source. The substrate is a CCFL metal electrode. FIG. 4 shows an electrode structure in which the surface of a commonly used metal electrode is covered with
眼は部屋の照明に使われる蛍光放電管の1秒前後の点灯速度の差を感知できないので、発明した蛍光放電灯管を部屋の照明に使用しても点灯速度の差は眼で感知できない。本発明に係る蛍光放電灯管をLCD等の表示装置の光源(バックライト)に使用するとき、10ミリ秒以下の速度の点灯が可能となり、バックライトの線走査点滅が可能となる。その結果、スクリーン上に写される画質はLCDの特性への依存が減少し、眼で明確に認識できる画質の向上がある。それは、画像の小さな揺れや歪みがなくなり、石炭の黒を基準とし、薄曇りの昼間の光照度である350 cd/m2の照度との間のコントラスト比による自然に近い鮮明な映像となる。現在のLCDスクリーン上の映像を長く見ていると、黒水準に明るさがあり、その水準から高コントラスト値を取るので上限輝度が高く、昼間の太陽の直射日光の映像と等価な映像となる。更にLCDの特性により、明確に認知できない映像の不鮮明を長時間見るので、眼を永久に損傷する。その結果、人は眼鏡を毎年変えなければならない。この問題は本発明になるCCFLを使用したLCDでは解決される。個人的な眼の永久損傷ばかりでない。LCDの消費電力も大幅に減少する。LCDの光透過率は8%前後であり、CCFLの点灯速度が1秒前後であるので、線走査が不能となり全面を均一に光らしている。バックライトを線走査で光らせると、消費電力は走査線の数に逆比例し、一次関数で減少する。走査線数が10本ならば、バックライトの消費電力は十分の一に減少する。走査線数を20本にすれば、二十分の一の電力消費となる。バックライトの消費電力の減少は、直ちにLCD表示装置の省電となる。Since the eye cannot sense the difference in lighting speed around 1 second of the fluorescent discharge tube used for room lighting, the difference in lighting speed cannot be detected by the eye even if the invented fluorescent discharge lamp tube is used for room lighting. When the fluorescent discharge lamp tube according to the present invention is used as a light source (backlight) of a display device such as an LCD, it can be turned on at a speed of 10 milliseconds or less, and the line scanning and blinking of the backlight can be performed. As a result, the image quality displayed on the screen is less dependent on the characteristics of the LCD, and there is an improvement in image quality that can be clearly recognized by the eyes. It eliminates small fluctuations and distortions in the image and produces a clear image close to nature with a contrast ratio between 350 cd / m 2 , which is the light illuminance of light cloudy day, based on coal black. If you look at the image on the current LCD screen for a long time, the black level is bright and the high brightness value is taken from that level, so the upper limit is high, and the image is equivalent to the image of direct sunlight in the daytime. . In addition, due to the characteristics of the LCD, the blurring of the image that cannot be clearly recognized is seen for a long time, so that the eyes are permanently damaged. As a result, people must change their glasses every year. This problem is solved by the LCD using the CCFL according to the present invention. Not just permanent eye damage. LCD power consumption is also greatly reduced. Since the light transmittance of the LCD is about 8% and the lighting speed of the CCFL is about 1 second, line scanning becomes impossible and the entire surface is illuminated uniformly. When the backlight is illuminated by line scanning, the power consumption is inversely proportional to the number of scanning lines and decreases by a linear function. If the number of scanning lines is 10, the power consumption of the backlight is reduced by a factor of ten. If the number of scanning lines is set to 20, the power consumption is one-twentieth. The decrease in the power consumption of the backlight immediately reduces the power consumption of the LCD display device.
平板状金属電極21はCCFLの放電管ガラス径を細くする上で有利である。放電管ガラス内径1.5 mmよりも細くなると図4(B)に示したように、片面だけに絶縁体粒子を塗布しただけでは十分な電子が取り出せない。その場合には、図4(C)に図示したように、平板状金属電極21の両面に絶縁体粒子を塗布すればよい。図4(C)の電極を使用すると、内径1mm以上で高輝度なCCFLの製造が可能となる。なお、図4(A)〜(C)において、小ガラス管20は、ガラス管9の内部を真空引きした後、ArガスやHgガスを注入する微小ガラス管で、最後に前記小ガラス管20を溶着してガラス管9を封止する。平板状金属電極21の材質は金属の電気抵抗が絶縁体粒子の分極に関係しないので、特別な要求はないが、硬度が高い材料を使用した方が作業性がよい。平板状金属電極21の電極厚さは、使用する金属材料により変わる。選択基準は絶縁体粒子の保持と、製造時の電極設定作業の容易さで、どのような金属材料でも使える。考慮しなければならない点は、金属表面の腐食による有機ガスと無機ガスの吸着である。ガス吸着があると、蛍光放電灯の寿命、特に蛍光膜の発光がそれらのガスの吸着で弱められるので注意が必要である。使用するNi-Cr合金を使用した場合、最適な厚みは0.2 mmから1 mmの間にある。平板状金属電極21の直径は、使用する蛍光放電管の管径により変わるが、内管径が15 mm以上の蛍光放電管には、直径10 mmの平板状金属電極21の使用が可能であるので最大直径は10 mmである。蛍光放電管の内管径が5 mm から15 mmの間である場合、金属電極の直径は内径より2 mm小さくすると良い。蛍光放電管の内管径が5 mm から2 mmの場合、金属電極の大きさは内径より1 mm小さくすると良い。蛍光放電管の内管径が2 mm以下の場合、金属電極の大きさは内径より0.5 mm小さくすると良い。
The
蛍光放電管の内管が2 mm 以下の場合、平板状金属電極21の作業性を考え、棒状金属電極を採用することもできる。図5(A)に棒状金属電極22の表面に絶縁体粒子を塗布した例が示されている。棒状金属電極22は、ガラスに封じるディメット線の先端に固い金属棒をウエルダーで融接着し、金属棒に絶縁体粒子を付着させるだけでできるので、細いCCFLの作業性に優れる。使用する金属棒の太さは0.5 mmから1 mmであるが、太さに限定はない。長さは0. 5 mmから 5 mmの間であればよい。ここに示した数字よりも長くても、また短くとも電極として使えるのは勿論である。
When the inner tube of the fluorescent discharge tube is 2 mm or less, a rod-shaped metal electrode can be adopted in consideration of workability of the
金属電極の表面に絶縁体粒子が付着し易いように金属の表面を粗面にすると良いが, 粗面を化学エッチングで作らない方が良い。化学エッチングした面は絶縁体粒子には滑面となり、絶縁体粒子の付着が難しい。金属表面を粗面にするには、粉末粒子径が絶縁体粒子径より僅かに小さく、平均値で1から3 μmの粉末研磨剤を使用すると良い。 The surface of the metal should be rough so that the insulator particles can easily adhere to the surface of the metal electrode, but it is better not to make the rough surface by chemical etching. The chemically etched surface becomes a smooth surface for the insulator particles, and the adhesion of the insulator particles is difficult. In order to roughen the metal surface, it is preferable to use a powder abrasive whose powder particle diameter is slightly smaller than the insulator particle diameter and whose average value is 1 to 3 μm.
図5(B)には、棒状金属電極22の表面にガラスフリット23を被覆形成し、このガラスフリット23の表面に絶縁体粒子を塗布した例が示されている。この例では、絶縁体粒子を更に強固に金属表面に付着させる目的で、非晶質フリットガラス23を金属の表面に先ず付け、熔融点以上の温度に加熱した後に絶縁体粒子を塗布し、再度加熱し、フリットガラス23を熔融した後に室温まで冷却すると、絶縁体粒子が熔融フリットガラス23の助けにより強固に接着する。しかし、フリットガラス無しで作った方が性能は良い。
図5(C)には、金属電極であるフィラメント電極28の表面に絶縁体粒子4を塗着した例が示されている。従来、HCFLではフィラメント電極に電流を通電して加熱し、熱電子放出させていたが、このフィラメント電極28の両端28c、28dを結線してリード電極18に接続して通電不能にし、リード電極18に電位を印加するだけで本発明の金属電極に転換できる。HCFLに使用されるフィラメント電極にはBaOのような絶縁体粒子4が塗着されており、このフィラメント電極28に電位を印加しても通電しないから熱電子放出はなく、HCFLとしては機能しない。しかし、リード電極18を介して結線されたフィラメント電極28に電位を印加すると絶縁体粒子4に誘電分極を生起できる。この誘電分極により絶縁体粒子4の近傍に放電ガスに由来する電子源や陽イオン源を形成できる。
図5(D)には、断線したフィラメント電極28の表面に絶縁体粒子4を塗着した例が示されている。HCFLでは、断線部28aによりフィラメント電極28が断線すると、通電不能により熱電子放出が消失し、発光しなくなった蛍光放電灯管は不良品として廃棄されていた。しかし、この断線したフィラメント電極28の両端28c、28dを結線してリード電極18に接続すると、リード電極18に電位を印加することによりフィラメント電極28の全体を同電位に電位印加することが可能になる。フィラメント電極に絶縁体粒子4が塗着されていると、電位印加により絶縁体粒子4に誘電分極を生起できる。この誘電分極により絶縁体粒子4の近傍に放電ガスに由来する電子源や陽イオン源を形成できる。従って、断線したフィラメント電極を結線するだけで本発明の金属電極として利用でき、従来廃棄されていた蛍光放電灯管を再生することが可能になり、本発明により再生効果と省エネルギー効果を発揮できる。
図5(E)には、フィラメント電極28の一端28cにリード電極18を接続し、他端28dを浮かせた例が示されている。他端28dを電気的に浮かせているから、前記フィラメント電極28は通電不能になり、また一端28cをリード電極18に接続しているから、リード電極18に電位を印加するだけでフィラメント電極28の全体を本発明の金属電極に転換できる。その作用効果は図5(C)と同様であるから、その詳細を省略する。
図5(F)には、断線したフィラメント電極28の一端28cにリード電極18が接続され、他端28dを電気的に浮かせた例が示されている。前記リード電極18に電気的に導通したフィラメント電極28の部分には電位が印加され、前記フィラメント電極部分に塗着された絶縁体粒子4は誘電分極して、絶縁体粒子4の近傍に電子源又は陽イオン源が形成される。他方、電気的に浮いたフィラメント電極部分には誘電分極が生じず、電子源又は陽イオン源の形成には寄与しない。その作用効果は図5(D)とほぼ同様であるから、その詳細を省略する。FIG. 5B shows an example in which a
FIG. 5C shows an example in which the
FIG. 5D shows an example in which the
FIG. 5E shows an example in which the
FIG. 5F shows an example in which the
金属電極上に塗布する絶縁体材料4は誘電率εが3〜50までの値を持つ絶縁体ならばいずれも絶縁体粒子として使える。誘電率εが50以上の絶縁体を使用すると、外部回路のac電圧の立ち上がりと立下りが遅くなり、放電灯の点灯速度が遅くなる。同時に電力も増えるので得策でない。無機絶縁材料の蒸発温度は一般的に言えば非常に高温度まで安定であるので、蛍光放電灯管の寿命に影響を与えない。更に、蛍光放電管中の正イオンは絶縁体粒子を直撃することもなく、図1で明らかなように負電位の金属陰極に衝突することもない。従って、陰極に原因した蛍光放電灯管の寿命因子は本発明の蛍光放電灯管から消える。ここで蛍光放電灯管の寿命についてもう少し述べて整理する。蛍光放電灯管で寿命を決めるもう一つの因子は、蛍光膜輝度の経時劣化である。蛍光膜の輝度の経時劣化は、蛍光体の発光中心の破壊による劣化とする説明が出版書籍の中で確立しているが、この説明は間違いである。結晶の格子点を占有している発光中心は非常に安定である。だが蛍光体粒子の界面付近は不安定で、沢山の格子欠陥が製造時に出来る。特にイオン半径の大きな陰イオンは結晶界面で存在が不安定であり、結晶格子から抜け出し陰イオン欠陥を、原子層で表面から5層ぐらいの間に作る。蛍光体の製造において還元性雰囲気中で高温加熱すると、強制的に酸素欠陥数が増加する。これらの陰イオン欠陥を持った蛍光体粒子は、製造した蛍光放電管中の残留ガスを吸着する。蛍光体粒子表面に吸着した有機ガスは、蛍光膜に照射する254 nm紫外線を吸収するので、蛍光体粒子に到達する紫外線強度はその分だけ減少する。蛍光膜輝度は吸着ガスの量に従って減少する理由である。化合物結晶の表面から陰イオン欠陥を完全に取り除く方法はない。蛍光膜の劣化の主因は有機残留ガスである。残留ガスは蛍光放電灯の製造時の脱ガス工程で無視できる水準まで除ける。即ち、蛍光放電灯管の製造工程を改良すれば残留ガスの影響は無視できる。有機残留ガスを無視できる所まで取り除いた本発明になる蛍光放電灯管の寿命は、寿命に関与する全因子が無視できるので、初期輝度を 100,000時間以上も保持する。
Any
絶縁材料の話に戻る。使用する絶縁体粒子は各粒子が個別化した粒子でなければならない。凝集粒子を含まないことが大切である。0.5μm以下の粒子が粉体材料に含まれていると、粉体の保存中に小さい粒子の接触面に毛管凝縮で空気中の水が吸着し、吸着水と絶縁体粒子表面との間に電気化学反応が起こり、粒子は凝集する。従って、使用する絶縁体粉に0.5μm以下の粒子が含まれないことが望ましい。絶縁体粒子の平均粒子径は、顕微鏡下で大きさを決定する方法で1μm〜10μmであれば使用できる。特に、平均粒子径が1μm〜7μmにある絶縁体粒子を使用すると良い結果が得られる。 Return to insulating materials. The insulator particles used must be individualized particles. It is important not to contain agglomerated particles. If particles of 0.5 μm or less are contained in the powder material, water in the air will be adsorbed by capillary condensation on the contact surface of the small particles during storage of the powder, and between the adsorbed water and the insulator particle surface An electrochemical reaction occurs and the particles agglomerate. Therefore, it is desirable that the insulator powder to be used does not contain particles of 0.5 μm or less. The average particle diameter of the insulator particles can be used as long as it is 1 μm to 10 μm by a method of determining the size under a microscope. In particular, good results can be obtained by using insulator particles having an average particle diameter of 1 μm to 7 μm.
絶縁体粒子材料は、化学ハンドブックに記載されている無機酸化物であればどれも使用できる。それらの中で望ましい酸化物として、MgO, SiO2, Al2O3, CaO, SrO, BaO, Y2O3, La2O3, CaAlO3, アルミ酸塩と珪酸塩、及びその複合化合物などがある。これらの酸化物の他に、蛍光体の基体結晶がある。蛍光体の基体結晶は非対称の格子点を持っており、高い誘電率を持つので有利である。絶縁体素材として使える蛍光体粒子は、Y2O3, Y2O2S, YVO4, YPO4, ZnS, ZnO, (Y,Gd)2O3, (Y,Gd)BO3, Y(P,V)O4, LaPO4, BaMgAl10O17等である。上記した蛍光体の基体結晶に蛍光体の発光中心となる付活剤を導入した蛍光体粒子も使用できる。但し、化学的に活性なSを含む化合物は、Hg蒸気と化学反応してHgS(黒色物質)を形成するので使用できない。粒子表面層にSを含まなければ使用可能である。利用する粒子表面は化学的にも物理的にも清浄な表面が要求される。上記した化合物以外に誘電率の大きなペロブスカイト粒子が知られている。その代表として、PbZrO3, PbTiO3, CaTiO3, SrTiO3, BaTiO3, PbTiO3と PbZrO3の固溶体 (PZT)、PbTiO3とCaTiO3の固溶体などがある。ペロブスカイト粒子の誘電率は非常に大きい。既に述べたように、粒径が大き過ぎる誘電率材料の粒子は、例え沢山の自由電子やイオンを累積しても、ペロブスカイト粒子の充放電で外部回路の誘起電流の速度が遅くなるので使えない。As the insulating particle material, any inorganic oxide described in the Chemical Handbook can be used. As oxides desirable among them, MgO, SiO 2, Al 2
発明した新電子源は、蛍光放電灯管製造の部品として扱われる。部品としての新電子源の作り方を実施例により、詳細に述べる。
[実施例1]
本発明になる電子源の部品は、絶縁体粒子を金属電極上に適当な厚さに塗布することである。絶縁体粒子は粉末であるので、絶縁体粒子とビヒクルと呼ばれる結合剤溶液を調合し、塗布液(スラリー)を作る。一般に使用されるビヒクルには表1に示す2種類がある。どちらのビヒクルを使用しても同じ結果が得られる。The invented new electron source is treated as a part of the manufacture of fluorescent discharge lamp tubes. A method for producing a new electron source as a part will be described in detail by way of examples.
[Example 1]
The component of the electron source according to the present invention is to apply insulator particles to a suitable thickness on the metal electrode. Since the insulator particles are powders, a coating solution (slurry) is prepared by blending the insulator particles and a binder solution called a vehicle. There are two types of vehicles generally used as shown in Table 1. The same result is obtained using either vehicle.
Ni金属棒電極にY(V,P)O4:Eu赤色蛍光体粉末を絶縁体粒子に選び、ビヒクルAでスラリーを作る。その調合割合を表2に示す。表2の材料を秤により正確に秤量し、両者をよく混ぜ合わせるとスラリーが出来る。Ni金属棒電極をスラリーに漬け、直ちに引き上げると、Ni金属棒電極表面にスラリーが付着する。付着した絶縁体粒子層数は、表2に示した混合割合を変えて調節する。引き上げられたNi金属棒電極上の絶縁体粒子層はスラリーで濡れているので、50 ℃前後の温風を吹きつけ乾燥する。乾燥後、電極を蓋のない炉にいれ550℃で10分〜30分加熱する。加熱により有機物が酸化され、水蒸気と炭酸ガスになり空気中に放散する。Ni金属棒電極を室温まで下げると、Y(V,P)O4:Eu赤色蛍光体の白色粉末が塗布したNi金属棒電極が得られる。この白色粉末を塗布したNi金属棒電極はCCFL電極として使用できる。Select Y (V, P) O 4 : Eu red phosphor powder as insulator particles for Ni metal rod electrode, and make slurry with vehicle A. The blending ratio is shown in Table 2. When the materials in Table 2 are accurately weighed by a balance and mixed well, a slurry is formed. When the Ni metal rod electrode is immersed in the slurry and immediately pulled up, the slurry adheres to the surface of the Ni metal rod electrode. The number of attached insulator particle layers is adjusted by changing the mixing ratio shown in Table 2. Since the insulator particle layer on the Ni metal rod electrode pulled up is wet with the slurry, it is dried by blowing hot air of around 50 ° C. After drying, the electrode is placed in a furnace without a lid and heated at 550 ° C. for 10-30 minutes. Organic matter is oxidized by heating, and it becomes water vapor and carbon dioxide gas and diffuses in the air. When the Ni metal rod electrode is lowered to room temperature, a Ni metal rod electrode coated with white powder of Y (V, P) O 4 : Eu red phosphor is obtained. The Ni metal rod electrode coated with this white powder can be used as a CCFL electrode.
[実施例2]
Ni-Cr円盤状金属電極にY2O3:Eu赤色蛍光体粉末を絶縁体粒子として選択し、ビヒクルBを選択し、スラリーを調合する。スラリーを作る時の調合割合を表3に示す。表3の材料を秤により正確に秤量し、両者をよく混ぜ合わせるとスラリーが出来る。このスラリーにNi-Cr円盤状金属電極を漬け、引き上げると、Ni-Cr円盤状金属電極の両表面にスラリーが付着する。付着した絶縁体粒子層数は、表3に示した混合割合を変えて調節する。引き上げられたNi-Cr円盤状金属電極上の絶縁体粒子層はスラリーで濡れているので、弱い温風を吹きつけて乾燥する。乾燥後、電極を蓋のない炉に入れ550℃で10分〜30分加熱すると、有機物が酸化により分解し、水蒸気と炭酸ガスとなり空気中に放散する。Ni-Cr円盤状金属電極を室温まで下げると、Y2O3:Eu赤色蛍光体の白色粉末が塗布したNi-Cr円盤状金属電極が得られる。この白色粉末を塗布したNi-Cr円盤状金属電極はCCFLの電極として使用できる。[Example 2]
A Y 2 O 3 : Eu red phosphor powder is selected as an insulator particle for a Ni-Cr disk-shaped metal electrode, vehicle B is selected, and a slurry is prepared. Table 3 shows the blending ratio when making the slurry. When the materials in Table 3 are accurately weighed by a balance and mixed well, a slurry is formed. When a Ni—Cr disk-shaped metal electrode is immersed in this slurry and pulled up, the slurry adheres to both surfaces of the Ni—Cr disk-shaped metal electrode. The number of adhered insulating particle layers is adjusted by changing the mixing ratio shown in Table 3. Since the insulator particle layer on the pulled Ni-Cr disk-shaped metal electrode is wet with the slurry, it is dried by blowing weak warm air. After drying, when the electrode is put into a furnace without a lid and heated at 550 ° C. for 10 to 30 minutes, the organic matter is decomposed by oxidation, and becomes water vapor and carbon dioxide gas and diffuses into the air. When the Ni-Cr disk-shaped metal electrode is lowered to room temperature, a Ni-Cr disk-shaped metal electrode coated with white powder of Y 2 O 3 : Eu red phosphor is obtained. The Ni-Cr disk-shaped metal electrode coated with this white powder can be used as an electrode for CCFL.
[実施例3]
Ni金属棒電極にBaO絶縁体粒子とビヒクルBを選び、スラリーを作る。調合割合を表4に示す。製造工程は実施例1と2に述べたと同じ工程であるので略す。この白色粉末を塗布したNi金属棒電極がCCFLの電極として使用できる。[Example 3]
Select BaO insulator particles and vehicle B for Ni metal rod electrode and make slurry. Table 4 shows the blending ratio. Since the manufacturing process is the same as that described in the first and second embodiments, it will be omitted. A Ni metal rod electrode coated with this white powder can be used as an electrode for CCFL.
[実施例4]
Niカップ電極にBaMgAl10O17絶縁体粒子とビヒクルAを選び、スラリーを作る。調合割合を表5に示す。製造工程は実施例1と2に述べたと同じ工程であるので略す。この白色粉末を塗布したNiカップ電極がCCFLの電極として使用できる。[Example 4]
Select BaMgAl 10 O 17 insulator particles and vehicle A for the Ni cup electrode to make a slurry. Table 5 shows the mixing ratio. Since the manufacturing process is the same as that described in the first and second embodiments, it will be omitted. The Ni cup electrode coated with this white powder can be used as the CCFL electrode.
実施例に示さない酸化物、複合酸化物の粉末粉を使用しても、実施例2〜4に示したと同じ結果が得られるので、これ等の実施例の既述を略すが、本発明から除外するものではない。 The same results as those shown in Examples 2 to 4 can be obtained even when oxide powders and composite oxide powders not shown in the examples are used, but the descriptions of these examples are omitted. It is not excluded.
[実施例5]
実施例5では、HCFLに広く使われている熱陰極を本発明になる電子源で置換するとどの問題が解決するかが述べられる。世界で最も広く使用されている電極は熱陰極である。熱陰極は800℃前後に加熱したタングステンフィラメントを酸化バリウム(BaO)等で被覆した陰極である。熱したBaO層の最上層に配置したBaから電子が真空中に放出する。HCFLを操作すると、電極付近の管壁温度が他の部分の管壁温度よりも高くなる。管内径が10 mmより細い省電型HCFLでは手で触れない高温度 (50 ℃から60 ℃)に加熱する。電極周辺の放電管の管壁温度が上昇する原因が明らかで無かったので、対策が採られていない。本発明者の研究によれば、陰極表面は不可避的に形成される表面結合電子SBE (105 V/cm)で覆われており、SBEの負電界を越えて陰極から電子を取り出すには、105 V/cm以上の陽極電圧の印加が陰極に必要である。陰極から取り出された電子は当然ながら105V/cm以上のエネルギーを持つ高速電子である。ガス原子の満ちたガス空間に突入した高速電子は、陰極と陽極間の強い一方向の電場により、電子は一方向に進む。一方向に進む高速電子はガス原子を励起するよりもガス空間をある距離だけ通過すると、ガス原子と非弾性衝突し、ガス原子をイオン化して電子とイオンに分離する。イオン化に当たりガス原子のエントロピーの変化で熱が出る。この熱により陰極周辺の広い範囲で放電灯の管壁温度が高くなる。高速電子はガス原子と非弾性衝突を繰り返しながらエネルギーを僅かずつ失い、陰極からある距離を移動した所で、移動電子のエネルギーはガス原子を励起するエネルギーまで減少する。電子によるガス原子の励起には熱の放出を伴わない。それ故、以後の管軸長では管壁温度は一定となる。陰極付近の管壁温度が上昇するのが第一のHCFLの問題である。この問題は、蛍光放電灯管の主放電に関与しないガス原子のイオン化が発生している事実を示す。これは蛍光放電管の点灯には無駄なエネルギーの消費である。本発明になる電子源を電子供給源に採用すると、HCFLはCCFLとなるが、電子源から取り出された電子のエネルギーはゼロ速度に近く、ガス原子のイオン化は起こらない。従って、蛍光放電灯管の点灯で、蛍光放電管端周辺の温度上昇は無い。それ故、本発明になる電子源を使用したCCFLの点灯電力は、従来のHCFLとCCFL蛍光放電灯管の点灯電力より顕著に減少する。[Example 5]
Example 5 describes which problem can be solved by replacing a hot cathode widely used in HCFL with an electron source according to the present invention. The most widely used electrode in the world is a hot cathode. The hot cathode is a cathode in which a tungsten filament heated to around 800 ° C. is coated with barium oxide (BaO) or the like. Electrons are released into the vacuum from Ba disposed on the uppermost layer of the heated BaO layer. When the HCFL is operated, the tube wall temperature near the electrode becomes higher than the tube wall temperature of other parts. Heat-saving HCFL with a tube inner diameter smaller than 10 mm heats to a high temperature (50 ° C to 60 ° C) that cannot be touched by hand. Since the cause of the rise in the tube wall temperature around the electrodes was not clear, no measures were taken. According to the study of the present inventor, the surface of the cathode is inevitably covered with surface-bound electron SBE (10 5 V / cm), and in order to extract electrons from the cathode beyond the negative electric field of SBE, Application of an anode voltage of 10 5 V / cm or more is necessary for the cathode. Of course, the electrons extracted from the cathode are high-speed electrons having an energy of 10 5 V / cm or more. Fast electrons entering a gas space filled with gas atoms travel in one direction due to a strong unidirectional electric field between the cathode and anode. When fast electrons traveling in one direction pass a certain distance through the gas space rather than exciting the gas atoms, they inelastically collide with the gas atoms, ionize the gas atoms and separate them into electrons and ions. Heat is generated by the change in entropy of gas atoms during ionization. This heat increases the tube wall temperature of the discharge lamp over a wide range around the cathode. Fast electrons lose energy little by little while repeating inelastic collisions with gas atoms, and when they move a certain distance from the cathode, the energy of the moving electrons decreases to the energy that excites the gas atoms. Excitation of gas atoms by electrons does not involve release of heat. Therefore, the tube wall temperature is constant at the subsequent tube shaft length. The first HCFL problem is that the tube wall temperature near the cathode rises. This problem indicates the fact that ionization of gas atoms that does not participate in the main discharge of the fluorescent discharge lamp tube occurs. This is a waste of energy for lighting the fluorescent discharge tube. When the electron source according to the present invention is adopted as an electron supply source, HCFL becomes CCFL, but the energy of electrons taken out from the electron source is close to zero velocity, and ionization of gas atoms does not occur. Therefore, there is no temperature rise around the end of the fluorescent discharge tube when the fluorescent discharge lamp tube is turned on. Therefore, the lighting power of the CCFL using the electron source according to the present invention is significantly lower than the lighting power of the conventional HCFL and CCFL fluorescent discharge lamp tubes.
第二の問題は陰極前面で発生する大きな陰極電圧降下である。蛍光放電灯の全エネルギーの30%〜40%のエネルギーが陰極電圧降下で失われる。陰極電圧降下はCCFLでも発生しているから、熱電子陰極に固有でないので一般論として述べる。上述したように電子を真空中に直接取り出す陰極は、不可避にできる強い負電荷のSBE (105 V/cm)で覆われている。陰極から電子を取り出すには、105 V/cm以上の陽極電圧の印加が陰極に必要になる。取り出された電子は陰極と陽極間の強い一方向の電場により、一方向に進む。一方向に進む高速電子はガス原子を励起するよりもガス空間を通過する中、ガス原子と非弾性衝突し、ガス原子をイオン化して電子とイオンに分離する。高速電子はガス原子と非弾性衝突を繰り返しながらエネルギーを僅かずつ失い、陰極からある距離を移動した所で、移動電子のエネルギーがガス原子を励起するエネルギーの水準まで減少する。電子によるガス原子の励起には熱の放出が伴わないことは既に述べた。以後の放電に関与する電子は、ガス原子を励起する水準のエネルギーを持った電子の挙動で決まり、陰極に出来たSBEの影響を受けない放電となる。この放電が陽光柱放電である。陰極電圧降下が起こる範囲は、陰極表面と陽光柱の始まるまでの間に一致する。The second problem is a large cathode voltage drop that occurs in front of the cathode. 30% to 40% of the total energy of the fluorescent lamp is lost due to the cathode voltage drop. Since the cathode voltage drop also occurs in CCFL, it is not unique to the thermionic cathode and will be described in general terms. As described above, the cathode that directly takes out electrons into the vacuum is covered with SBE (10 5 V / cm), which is unavoidable and has a strong negative charge. In order to extract electrons from the cathode, it is necessary to apply an anode voltage of 10 5 V / cm or more to the cathode. The extracted electrons travel in one direction by a strong unidirectional electric field between the cathode and the anode. Fast electrons traveling in one direction pass through the gas space rather than exciting the gas atoms, collide with the gas atoms inelastically, ionize the gas atoms, and separate them into electrons and ions. Fast electrons lose energy little by little while repeating inelastic collisions with gas atoms, and when they move a certain distance from the cathode, the energy of the moving electrons decreases to the level of energy that excites the gas atoms. It has already been mentioned that excitation of gas atoms by electrons is not accompanied by release of heat. The electrons involved in the subsequent discharge are determined by the behavior of the electrons having a level of energy that excites gas atoms, and are not affected by the SBE formed in the cathode. This discharge is a positive column discharge. The range where the cathode voltage drop occurs coincides between the cathode surface and the beginning of the positive column.
この範囲には、陰極から取り出された場所によりエネルギー値が異なる高速電子、ガス原子のイオン化により発生した自由イオンと自由電子が混在するが、各荷電粒子の分布が均一でなく、陰極面からの距離により不規則に変わる。この変化の中でガス原子を励起できるエネルギーを持った電子もあり、ガス原子を励起し発光させるが、その数は少ない。その他のエネルギーを持った電子とイオンはガス原子を発光させない。電子のエネルギーを決める1因子に、電子とイオンの質量の差がある。イオン化して出来たイオンと電子は陰極と陽極の電界により、電界中を移動するが、移動速度、移動方向、移動距離が大きく異なるのでガス空間中で偏って分布する。偏積分布したイオンの電界(陽極電界と逆方向)が軽量で動く電子に作用する。エネルギー値が異なる高速電子、偏積したイオン、電界強度により容易に動く電子の複雑な分布が、これ等の荷電粒子が均一に分布することを許さず、それに基づいた線状発光縞が観察される。陰極電圧降下の起こる範囲は線状発光縞が発生する範囲に相当する。従来の陰極を使用する限り、SBEは陰極面に不可避に出来るので、陰極電圧降下も不可避に発生する。従来の陰極電極を本発明の電子源で置き換えるだけで、陰極電圧降下は蛍光放電灯から完全に消える。その結果、本発明の電子源を使用したCCFLの点灯消費電力は、従来品に比して約40 % 減少するので、環境汚染問題に大いに貢献する。 In this range, fast electrons with different energy values depending on the location where they are taken out from the cathode, and free ions and free electrons generated by ionization of gas atoms are mixed, but the distribution of each charged particle is not uniform, and from the cathode surface It changes irregularly depending on the distance. Among these changes, there are also electrons with energy that can excite gas atoms, which excites gas atoms to emit light, but the number is small. Other energetic electrons and ions do not emit gas atoms. One factor that determines the energy of electrons is the difference in mass between electrons and ions. Ions and electrons produced by ionization move in the electric field due to the electric field between the cathode and the anode, but the moving speed, moving direction, and moving distance are greatly different, so they are unevenly distributed in the gas space. The electric field of ions with an uneven distribution (the direction opposite to the anode electric field) acts on electrons that move lightly. The complex distribution of fast electrons with different energy values, unevenly-charged ions, and electrons that move easily depending on the electric field strength does not allow these charged particles to be distributed uniformly, and linear light-emission fringes based on them are observed. The The range in which the cathode voltage drop occurs corresponds to the range in which linear light emission stripes are generated. As long as a conventional cathode is used, SBE can be unavoidable on the cathode surface, so that a cathode voltage drop inevitably occurs. By simply replacing the conventional cathode electrode with the electron source of the present invention, the cathode voltage drop disappears completely from the fluorescent discharge lamp. As a result, the lighting power consumption of the CCFL using the electron source of the present invention is reduced by about 40% compared to the conventional product, which greatly contributes to the environmental pollution problem.
第三の問題は蛍光放電灯の点灯寿命である。HCFLを使用した蛍光放電灯の寿命は、電極金属周辺に出来た陽イオンが陰極電位に引き寄せられ、陰極に弾性衝突し、陰極金属の局部を高温度に加熱し、そこから金属蒸気が蒸発することに原因する。本発明になる電子源を採用すると、放電ガス内に陽イオンにさらされた金属は皆無である。従って、寿命の飛躍的な延長が可能となる。 The third problem is the lighting life of the fluorescent discharge lamp. The life of a fluorescent discharge lamp using HCFL is that cations formed around the electrode metal are attracted to the cathode potential, elastically collide with the cathode, and the local area of the cathode metal is heated to a high temperature, from which the metal vapor evaporates. Cause. When the electron source according to the present invention is employed, there is no metal exposed to cations in the discharge gas. Therefore, the lifetime can be dramatically extended.
以上までに記した詳細な発明の内容は、蛍光放電灯管の電子供給源の改良であった。本発明になる電子源を使用すると、初速ゼロに近い電子が放電路に取り出せる。その結果、従来の蛍光放電灯管の研究では解明が困難であった現象が解明できるようになった。それらは蛍光放電灯管の放電点灯開始時間の遅れ、陽光柱のSBE鞘への収納である。この問題は、蛍光膜を構成する各蛍光体粒子の荷電状態に原因する。今まで誰もが蛍光体粒子の物性が理解出来なかったので、この問題の解明に手を付なかった。以下に各蛍光体粒子の荷電状態が放電電子に関与する状態を詳述する。 The contents of the detailed invention described above are improvements in the electron supply source of the fluorescent discharge lamp tube. When the electron source according to the present invention is used, electrons close to zero at the initial speed can be taken out to the discharge path. As a result, it has become possible to elucidate phenomena that were difficult to elucidate in the study of conventional fluorescent discharge lamp tubes. They are the delay of the discharge lighting start time of the fluorescent discharge lamp tube, the storage of the positive column in the SBE sheath. This problem is caused by the charged state of each phosphor particle constituting the phosphor film. Until now, no one has been able to understand the physical properties of the phosphor particles, so we have not worked on elucidating this problem. Hereinafter, the state in which the charged state of each phosphor particle is involved in the discharge electrons will be described in detail.
FL管内のガス放電に影響を与える蛍光膜の4つの荷電状態と電子軌道の変化を図6に図解する。図6(A)は、蛍光放電灯管ガラス9の内壁面に市販放電灯用 (PL) 蛍光体粉を塗布して出来た蛍光膜24の部分図である。市販PL用蛍光体の全粒子は持続性内部分極 (PIP)を製造時から保持して居り、粒子外にPIPの負電荷 (約 150 V )の電界を及ぼす。当然の理で市販PL蛍光体を使って作った蛍光膜24の上面はPIPの負電荷で覆われる。そこに初速ゼロに近い電子源からの電子eが近づくと、電子eはPIPの負電界から静電反発を受け、蛍光膜上に入れない。それだけではない。ガス空間はガス原子の最外殻を充填している外殻電子による負電界で満ち、電子eはガス空間にも入れない。ガス原子は放電しない。即ちガス放電は点灯しない。
FIG. 6 illustrates the changes in the four charged states of the fluorescent film and the electron trajectory that affect the gas discharge in the FL tube. FIG. 6A is a partial view of a
蛍光放電管中のガス空間に侵入できる電子は、高エネルギー電子だけである。従来の放電灯管は、高エネルギー電子を陰極から取り出したので、電子はガス空間に突入できたが、高エネルギー電子は蛍光膜上の表面伝導は出来ず、ガス放電を点火出来なかった。蛍光放電灯管のガス放電には、ガス放電に先立ち、蛍光膜上に低速電子の導入が必要である。使用した高エネルギー電子は一方向に直進し、散乱電子は蛍光膜のPIP負電界に打ち勝つことが出来なかった。蛍光膜周辺に電導体を設置し、300 V前後の正電圧を印加すると、放電灯のガスが点火する現象を経験的に見出した。特殊CRT開発者も経験的に知っていた。蛍光膜のPIPは200 V以上の正電界を蛍光膜に印加すると蛍光膜から消える。蛍光膜のPIPの存在とその消去の方法は、乾式複写機や電子写真の感光板に実用されている。蛍光体材料も感光板として使えるが性能が低いので実用化できない。蛍光膜のPIPは特殊CRT (蓄積管)にも利用されている。蛍光放電灯管の放電の点火法として、蛍光放電灯管の技術者は蛍光膜のPIPの消去法を経験的に見つけたが、PIPそのものの存在を理解できなかったので動作原理が不明であった。PIPの消去により付随して発生する諸問題の除去に苦労し、経験で見つけた方法を社内機密とした。本発明者は、蛍光体の選択により、PIPの問題を全面的に解決する。蛍光体の種類と作り方を制御すると、蛍光膜にPIPを作らない蛍光体を作ることが出来る。 The only electrons that can enter the gas space in the fluorescent discharge tube are high-energy electrons. Since the conventional discharge lamp tube took out high energy electrons from the cathode, the electrons could enter the gas space, but the high energy electrons could not conduct the surface conduction on the phosphor film and could not ignite the gas discharge. In the gas discharge of the fluorescent discharge lamp tube, it is necessary to introduce low-speed electrons on the fluorescent film prior to the gas discharge. The high-energy electrons used went straight in one direction, and the scattered electrons could not overcome the PIP negative electric field of the fluorescent film. We have empirically found that the discharge lamp gas is ignited when a conductor is installed around the fluorescent film and a positive voltage of about 300 V is applied. Special CRT developers also knew empirically. The PIP of the fluorescent film disappears from the fluorescent film when a positive electric field of 200 V or more is applied to the fluorescent film. The existence of PIP in the fluorescent film and the method of erasing it are used in dry copying machines and electrophotographic photosensitive plates. A phosphor material can also be used as a photosensitive plate, but it cannot be put into practical use because of its low performance. The PIP of the fluorescent film is also used for special CRT (storage tube). As an ignition method for the discharge of a fluorescent discharge lamp tube, a fluorescent discharge lamp engineer has empirically found a method for erasing the PIP of the fluorescent film, but the operation principle was unknown because the existence of PIP itself could not be understood. It was. I had a hard time removing the incidental problems caused by erasing PIP, and made the method I found through experience confidential. The inventor completely solves the problem of PIP by selecting phosphors. By controlling the type of phosphor and how to make it, it is possible to create a phosphor that does not make PIP on the phosphor film.
図6(B)に蛍光体粒子がPIPを持たない蛍光体を使用して作られた蛍光膜25上に初速ゼロに近い電子を導入した時の、蛍光膜表面伝導電子の状態を示す。PIPを持たない蛍光体としては、15 V以下の低電子線の照射下で発光するCL蛍光体である。代表的な蛍光体は、緑白色に発光する又は390 nmにピークを持って鋭い線状発光する酸化亜鉛 (ZnO) 蛍光体、ナトリウムの化合物を融剤に使わずに作られた青色発光硫化亜鉛 (ZnS:Ag:Cl) 蛍光体、緑色発光硫化亜鉛 (ZnS:Cu:Al) 蛍光体,及び特殊条件下で作られたMgOがある。蛍光膜に照射する電子のエネルギーを120 Vまで上げると、酸化亜鉛過剰で製造された珪酸亜鉛 (Zn2SiO4:Mn) 蛍光体、表面を化学エッチングして作られた硫酸化イットリウム (Y2O2S:Eu or Tb)蛍光体、融剤を使用しないで作られた酸化イットリウム (Y2O3:Eu or Dy) 蛍光体等が加わる。図6(B)の例はZnO蛍光体で蛍光膜を作った場合を示す。蛍光膜表面に入った低速電子は、PIP負電界が存在しないため、容易に蛍光膜上に入り、放電管の他端にある累積イオン8の電界により加速され、蛍光膜表面上を一方向に進み、累積イオン8に到達し再結合によりガス原子に戻る。通常のFL管(管長50 cm)で一方向に進む電子軌道にガス原子が存在する確率は計算できる。その値は10-6であり、一方向に進む加速電子がガス原子と衝突する確率はゼロと考えて良い。表面伝導する電子によるガス原子の発光はない。更に蛍光膜上を表面伝導する電子の直接計測法がない。間接には放電管の外壁に設置した導体に大きな誘導電流が検出できるので、大きな表面伝導電流が流れていると理解できる。次の事実を観測できた。ZnO蛍光膜は完全な平滑面で無いので、蛍光膜表面上を一方向に進む加速電子は蛍光膜の突起した部分に衝突し、その部分の蛍光体はCL発光する。微弱なCL発光であるが一方向に進む加速電子の存在を確認できる。蛍光膜が完全な平滑面であると、電子の動きは検出出来ない。加速電子の検出にY2O3:Eu 蛍光体 (110 Vの電子照射で発光する)の蛍光膜を使用すると、次のことが観測できる。Y2O3:Eu 蛍光体には数少ない蛍光体粒子に欠陥があり、その粒子の負電荷により、一方向に進む電子軌道が曲げられ、表面伝導で加速された電子がガス原子の充満したガス空間に入る。ガス空間に軌道を曲げられた加速電子はガス空間のガス原子と非弾性衝突する。非弾性衝突でエネルギーを受けたガス原子 (Hg) は励起され、紫外線を発光する。発光した紫外線は蛍光膜に照射され、蛍光膜はPLを発光する。非弾性衝突で軌道を曲げられた電子はガス空間に留まり、ガス空間に印加されている高周波電界により加速され、ガス空間の他のガス原子を励起する。この繰り返しがガス空間で起こりガス原子は放電を開始する。蛍光膜中に含まれ、一方向に進む電子軌道を曲げる粒子数は少ないので、PL発光強度は低いが、ZnO蛍光膜の場合より多くの蛍光体粒子がPL発光する。このように一方向に進む加速電子と、加速電子の軌道をガス空間に曲げ、ガス原子を励起する方法が、PL発光の観察により明確に検出できる。同じ結果はZn2SiO4:Mn緑色発光蛍光体やY2O2S:Eu赤色蛍光体を使用しても検出できる。だがこれ等の蛍光体から単独で作った蛍光膜の発光は、実用水準の発光強度に比較するとかなり低い。上述した実験は実務を大切にする放電灯技術者には低輝度であるので無視された。しかし、上述したように非常に重要な科学情報を提供しているのを見逃した。FIG. 6B shows the state of the phosphor film surface conduction electrons when electrons close to zero at the initial velocity are introduced onto the
PIPを持たない蛍光膜は、低速電子の蛍光膜上の電子電導を容易に許容し、電子を加速する(引き金の役割)が、蛍光放電灯管中のガスの励起には直接貢献しない。蛍光膜中に負帯電している蛍光体粒子が存在すると、加速電子の軌道はそこで曲げられガス空間に入り、ガス原子を励起する。励起したガス原子は紫外線を発光する。非弾性衝突した電子は、ガス空間に留まり、高周波電界により加速され、他のガス原子を励起する。この繰り返しでガス放電は点火する。これが実用蛍光放電灯管のガス放電を瞬時に点灯する機構である。この観察は蛍光放電灯管を科学解析する上で非常に重要な発見である。 A phosphor film without PIP readily allows electron conduction on the phosphor film of low-energy electrons and accelerates electrons (the role of trigger), but does not directly contribute to the excitation of gas in the fluorescent discharge lamp tube. When there are negatively charged phosphor particles in the phosphor film, the orbits of the accelerated electrons are bent there and enter the gas space to excite the gas atoms. The excited gas atoms emit ultraviolet light. Electrons that collide inelastically remain in the gas space and are accelerated by a high-frequency electric field to excite other gas atoms. By repeating this, the gas discharge is ignited. This is a mechanism for instantly lighting the gas discharge of a practical fluorescent discharge lamp tube. This observation is a very important discovery for scientific analysis of fluorescent discharge lamp tubes.
図6(C)は上記した発見を確認する目的で、蛍光放電灯管の蛍光膜の終端の小面積にZnO蛍光体粒子25(PIP無し)を塗布し、残りの大面積に市販PL蛍光体粒子を配列した蛍光膜24(PIP有り)で蛍光放電管内壁面を覆う。実験的には先ず市販PL蛍光体粒子をガラス内壁面に塗布し、乾燥してから結合剤を焼却する。ガラス端の蛍光膜を柔らかい布でふき取った後、ZnO蛍光体粒子25を拭き取ったガラス面に塗布する。乾燥してから結合剤を焼却する。この方法により、図6(C)の蛍光膜が出来る。
For the purpose of confirming the above discovery, FIG. 6 (C) applies ZnO phosphor particles 25 (without PIP) to the small area at the end of the fluorescent film of the fluorescent discharge lamp tube, and commercially available PL phosphor to the remaining large area. The inner wall surface of the fluorescent discharge tube is covered with a fluorescent film 24 (with PIP) in which particles are arranged. Experimentally, commercially available PL phosphor particles are first applied to the inner wall surface of the glass, dried, and then the binder is incinerated. The fluorescent film on the glass edge is wiped off with a soft cloth, and then applied to the glass surface from which the
この蛍光膜に本発明になる電子源を設置し、初速ゼロに近い電子を導入する。電子はZnO蛍光体粒子25の配列した所で加速され、ガス原子の励起可能なエネルギーを持つ。加速電子は、しかし市販蛍光膜24上に立ち入ることが出来ず、電子軌道を曲げてガス空間に入る。ガス空間に入った電子はガス原子と非弾性衝突し、ガス原子を励起し、ガス空間の放電を点灯する。この現象が蛍光放電灯管のガス放電の瞬時点灯となる。非弾性衝突した電子は、ガス空間の高周波の波に乗り、高周波電界から適切なエネルギーを獲得し、次のガス原子を非弾性衝突で励起する。放電路を伝播する高周波の波と共鳴した電子はこの繰り返しによりガス原子を励起しながら放電管中を管端まで移動し、最後にイオンと結合して消える。蛍光放電管中を高周波の波と共鳴して移動する電子は、我々の眼で観察したとき、蛍光放電灯管は均一強度で発光する蛍光膜として観察される。しかし、大切な事実が見過ごされていた。
An electron source according to the present invention is installed in this fluorescent film, and electrons close to zero at the initial speed are introduced. The electrons are accelerated where the
放電路中を移動する電子は加速によりエネルギーを持ち、ガス原子と非弾性衝突をする。非弾性衝突した電子の軌道方向は無作為である。無作為方向に散乱された電子の中には蛍光膜に接近する機会を持つ電子があるが、蛍光膜にはPIP26の負電荷が存在するので、その電子は蛍光膜に接近できず、陽光柱内に戻る。高周波の波に共鳴しているガス原子を発光させる電子の活動範囲は、ガス放電管の全空間ではなく、蛍光膜から一定の距離を保持した放電管の中央のガス空間内に限定される。それがPIP鞘26に収められた陽光柱である。ガス原子は電気的に中性であり、電界や電荷の影響を受けず、放電管内に均一濃度で分布する。PIP鞘26に収められた陽光柱と蛍光膜の間にガス原子(未励起ガス原子)が均一濃度で分布している。陽光柱で発光した光がガス原子の励起準位から基底準位への電子遷移で発生しているならば、発光した光はガス原子による吸収が許容となる。その場合陽光柱内で発光した光は陽光柱と蛍光膜間に介在するガス原子により吸収され、蛍光膜に届くのは吸収された残量になる。蛍光放電灯の場合、低圧Hg蒸気の発光を利用する。発光はHgの励起準位6pから基底準位6sへの電子遷移であるので、陽光柱と蛍光膜間に存在するHg蒸気により吸収を受ける。光は電荷を持たない粒子であるのでPIPの影響を受けず、陽光柱と蛍光膜間に存在するHg蒸気により吸収を受けた残量だけが蛍光膜に到達する。蛍光体粒子は大きな光屈折率を持った粒子であるので、紫外線の一部が蛍光膜の表層に配列した蛍光体粒子に突入し、発光中心に直接吸収されて可視光を発光する。表層粒子で反射した紫外線は散乱光となり蛍光膜の深部にある蛍光体粒子に突入し,発光する。与えられた蛍光放電灯管で蛍光膜に到達する紫外線量を増加させるには、蛍光膜がPIP負電荷で覆われないようにすると良い。即ち、PIP鞘を作らないようにすると良い。Electrons moving in the discharge path have energy due to acceleration and collide with gas atoms inelastically. The orbital direction of electrons that collide inelastically is random. Among the electrons scattered in the random direction, there is an electron that has an opportunity to approach the fluorescent film, but since the negative charge of PIP26 exists in the fluorescent film, the electron cannot approach the fluorescent film, and the positive column. Return inside. The range of activity of electrons that emit gas atoms resonating with high-frequency waves is not limited to the entire space of the gas discharge tube, but is limited to the central gas space of the discharge tube that maintains a certain distance from the fluorescent film. That is the positive column housed in the
蛍光膜に接近して配置した導体に正電位を印加すると蛍光膜のPIP電荷は消える。その結果、PIP鞘26は消え、陽光柱は蛍光膜まで広り、輝度が増加すると期待すると、そうではない。PIPが存在しない蛍光膜は図6(B)に示した蛍光膜25と等価になり、電子は負電界のガス空間に入れず、蛍光膜表面上を一方向に進む表面伝導になり、蛍光放電灯管の輝度は著しく減少する。高輝度に発光する蛍光膜には、蛍光膜を表面伝導により電子を加速する働きと、その電子軌道をガス空間に曲げるPIP蛍光体粒子の両者の蛍光体粒子の組み合わせが必要である。実務的にはPIP電荷の作用の及ばない所に陽光柱を作れば良いことになり、Hg原子による自己吸収を容認し、管径が25 mm以上と大きな蛍光放電灯が実用され、最適条件を経験的に求めた。これが従来の蛍光放電灯であり、陽光柱内でHgが発光した254 nm紫外線の自己吸収を許容し、発光の飽和現象のある蛍光放電灯を実用化してきた。
When a positive potential is applied to a conductor placed close to the fluorescent film, the PIP charge of the fluorescent film disappears. As a result, the
図5の結果より、図6(D)に図示したように、PIPを持つ市販PL蛍光体24とPIPを持たない低電圧CL蛍光体25をガラス管内面に交互に配列する。PIP26の作用は大いに減殺され,ガス放電の点火が早く、陽光柱の広がりによる輝度上昇が見られた。ここで低電圧CL蛍光体25の選択が必要になった。低電圧CL蛍光体25の候補は前記した。これ等の蛍光体のどれでもが使用できるとは限らない。市販されているこれ等の蛍光体の中には、表面処理と言って絶縁体の微細粒子が表面に付着している。他の場合、蛍光体製造時の処理が不十分で残留物が粒子表面に残っている。陽光柱から散乱により蛍光体粒子に照射した電子は、蛍光体粒子内に入り、蛍光体粒子から二次電子を真空中に放出する。その時蛍光体粒子の中に正孔を残す。この正孔と二次電子が真空中で結合し、金属陰極の場合と同様な機構で粒子表面にSBEを形成する。不純物が付着していると、その不純物の表面にもSBEが形成する。CL蛍光体粒子の発光は、電子の入射で蛍光体粒子内に沢山できる正孔と電子が発光中心で再結合して発光する。CL蛍光体粒子の表面が清浄であると、CL蛍光体粒子の表面にあるSBEは結合相手である蛍光体粒子内の正孔を失う。相手を失った真空中の電子は自由電子となり、加速され電子軌道を陽光柱に曲げられ放電に寄与する。問題は粒子表面に付着している不純物上にできたSBEである。PIPと等価の作用をもつ。困ったことに不純物上のSBEの消去はできない。この理由で、低電圧CL蛍光体の選別が大切となる。最も確かな低電圧CL蛍光体はZnO蛍光体である。ここでCL蛍光体の方がPL蛍光体より明るい理由を説明する。蛍光体粒子内に突入した1個の入射電子により作られる電子と正孔対数は入射電子が結晶格子と非弾性散乱する数に相当する(約1,000個)。一方、PL蛍光体粒子では一個の光子は一個の発光中心しか励起できない。CL蛍光体が明るい理由である。
From the result of FIG. 5, as shown in FIG. 6D, commercially
蛍光放電灯管の内壁面にPL蛍光体24と低電圧CL蛍光体25を隣り合わせにして蛍光膜を製造するのは至難の業である。出版された論文、Journal Physics D Applied Physics,32, (1999), pp 513-517(非特許文献6)によれば、FLの最適蛍光膜厚は蛍光体粒子の3層で出来ている。この蛍光膜に照射する電子の突入できる粒子は、最上層に配列した粒子だけであり、紫外線は粒子の荷電に影響を受けず、蛍光膜中に突入する。突入深度は粒子層数にして3層である。この理由で、市販蛍光体粒子24を3層になるようにガラス管内壁面に塗布し、乾燥後低電圧CL蛍光体25を市販蛍光体層24の上に散布するように塗布すると、本発明になる蛍光膜が製造できる。このようにして作られた蛍光膜の模式図を図7(A)に示す。
It is extremely difficult to manufacture a phosphor film by placing the
蛍光膜を2度に分けて塗布するのは、作業工程が複雑になる。蛍光体スラリーの一回塗布で蛍光膜を作る方法を考案した。市販PL蛍光体の平均粒子径を4 μmとする。低電圧CL蛍光体の粒子径を2 μmとする。粒子径が異なる2種類の蛍光体粉を、重量比でPL蛍光体:CL蛍光体=7:3の割合で秤量し、秤量粉体を混合瓶に入れ、均一に混ざるまで混合し、蛍光体塗布液を作り放電管ガラス内壁面に塗布する。塗布液が乾燥しないとき、ガラス管壁に近い所には大きなPL蛍光体粒子24が選択的に集まり、蛍光膜の表面に小さなCL蛍光体粒子25が多く集まるので、図7(B)に示した蛍光膜が得られる。図7(B)の蛍光膜を使い蛍光放電灯管を作ると、表面層にあるCL蛍光体粒子はSBEを形成しないので、陽光柱内で高エネルギーを持った電子はCL蛍光体粒子に達する。その結果、陽光柱が蛍光膜の所まで接近して紫外線を放射する。この紫外線は未励起Hg原子が介在せず、より多くの紫外線がPL蛍光体層に入射する。その結果、蛍光膜のPL強度が増加する。ここに使用するCL蛍光体粒子の大きさは、PL蛍光体の平均粒子径が4μmであるとき、平均値で1μm〜3μmであるとき、良好な結果が得られた。この粒子径はPL蛍光体の粒子径により変わる。注意することは、CL蛍光体粒子が1μm以下と小さい時、粒子は蛍光膜の表面に配列せず、蛍光膜の乾燥時に蛍光膜の底に集まり、CL蛍光体粒子の効果は減退する。以下に実施例を用いて更に詳細に蛍光膜に付いて述べる。
Applying the fluorescent film in two steps complicates the work process. A method for producing a phosphor film by single application of phosphor slurry was devised. The average particle size of the commercially available PL phosphor is 4 μm. The particle size of the low voltage CL phosphor is 2 μm. Two types of phosphor powders with different particle diameters are weighed in a ratio by weight of PL phosphor: CL phosphor = 7: 3, and the weighed powder is put in a mixing bottle and mixed until it is evenly mixed. A coating solution is made and applied to the inner wall surface of the discharge tube glass. When the coating solution does not dry, large
[実施例6]
本発明になる低電圧発光CL蛍光体を混合した蛍光膜の一例を述べる。蛍光膜は表6に示した蛍光体粉を混合して作った。性能の良い低電圧CL蛍光体としてZnS系蛍光体があるが、基体結晶の硫黄Sが放電中にHg蒸気と化学反応しHgSを形成するので避けた。[Example 6]
An example of the phosphor film mixed with the low voltage light emitting CL phosphor according to the present invention will be described. The phosphor film was prepared by mixing phosphor powders shown in Table 6. There is a ZnS-based phosphor as a low-voltage CL phosphor with good performance, but it was avoided because sulfur S in the substrate crystal reacts with Hg vapor during discharge to form HgS.
表6の各蛍光体粉の重量を秤量し、混合瓶に入れ秤量蛍光体粉が良く混ざるまで混合する。この混合粉体に、ビヒクルAを150グラム添加し、蛍光体粒子がスラリー中に良く分散するように攪拌する。蛍光体スラリーを外径5 mmのガラス管内に導入し、暫しの間放置した後、スラリーをガラス管内から取り去ると、ガラス内壁面に蛍光体粒子が付着し、蛍光膜がガラス管内壁面に塗布される。蛍光膜を温風乾燥した後、600 ℃で30分間蓋のない炉で加熱し、蛍光膜内の有機結合剤を熱分解により水蒸気と炭酸ガスとして管内から取り去ると、蛍光体粒子だけからなる蛍光膜がガラス管壁に残る。ガラス管壁端にある蛍光膜を柔らかな布で拭き取る。拭き取ったガラス管の箇所に、実施例4と5のうちのどちらかの電極を挿入する。一方の管端はガラス管を溶融して電極を封着する。もう一方の管端のガラス管を僅かに溶融し管径を細くする。細くなった管径の先にHgアマルガムとBaゲッターを設置した後、開口した小ガラス管20を排気装置に接続し、ガラス管内の空気を真空ポンプを用いて取り去る。HgアマルガムとBaゲッターを設置したガラス管の箇所を除き、ガラス管全体を炉内にいれ、500 ℃前後に加熱してガラス管内の材料から脱ガスをする。脱ガス工程が終わったならば、温度を室温近くまで下げる。その後にHgアマルガムとBaゲッターを僅かに加熱し、それらからのガス放出を行う。ガスはポンプで排気する。その後、70 Torr前後のArガスを導入し、HgアマルガムとBaゲッターが収納された先のガラスを融解してガラス管を排気装置から切り離す。切り離し後、HgアマルガムとBaゲッターを加熱し活性化する。その後、電極部分の排気細管を融解して封じると、外径5mmのCCFL蛍光放電灯管が得られる。このCCFLは10ミリ秒前後の速度で放電が点灯する。点灯速度は暗所でも変わらないのは当然の理である。この放電灯には陰極電圧降下が無く、外部回路で測定した点灯電力は従来のCCFLよりも30%減少する。更に陽光柱の径を規制したSBE鞘が無いので、蛍光放電灯管の蛍光膜からは13 % 以上の光が取り出せる。
The weight of each phosphor powder in Table 6 is weighed, put in a mixing bottle, and mixed until the weighed phosphor powder is well mixed. To this mixed powder, 150 g of vehicle A is added and stirred so that the phosphor particles are well dispersed in the slurry. When the phosphor slurry is introduced into a glass tube having an outer diameter of 5 mm and allowed to stand for a while, the slurry is removed from the glass tube, the phosphor particles adhere to the inner wall surface of the glass, and the phosphor film is applied to the inner wall surface of the glass tube. The After the fluorescent film is dried in warm air, it is heated in a furnace without a lid at 600 ° C for 30 minutes, and when the organic binder in the fluorescent film is removed from the tube as water vapor and carbon dioxide by thermal decomposition, a fluorescent substance consisting only of phosphor particles The film remains on the glass tube wall. Wipe off the fluorescent film on the end of the glass tube with a soft cloth. The electrode of either Example 4 or 5 is inserted into the wiped glass tube. One tube end melts the glass tube to seal the electrode. The glass tube at the other tube end is slightly melted to reduce the tube diameter. After the Hg amalgam and the Ba getter are installed at the tip of the narrowed tube diameter, the opened
[実施例7]
表7は本発明になる低電圧発光CL蛍光体粉を混合した蛍光膜の他の例である。市販PL蛍光体は、青色に化学式 (Ca,Sr,Ba,Mg)(PO4)6Cl:Eu2+、緑色にBaMgAl10O17:Eu2+:Mn2+、赤色にY(V,P)O4:Eu3+の蛍光体を混合して白色発光になるように調製され、更に低電圧CL蛍光体にZnO蛍光体粉を添加する。蛍光膜の製造工程と蛍光放電灯管の製造工程は実施例6に述べたと同じであるので略す。[Example 7]
Table 7 shows other examples of the phosphor film mixed with the low voltage light emitting CL phosphor powder according to the present invention. Commercially available PL phosphors have the chemical formula (Ca, Sr, Ba, Mg) (PO 4 ) 6 Cl: Eu 2+ in blue, BaMgAl 10 O 17 : Eu 2+ : Mn 2+ in green, and Y (V, A phosphor of P) O 4 : Eu 3+ is prepared so as to emit white light, and ZnO phosphor powder is added to the low voltage CL phosphor. Since the manufacturing process of the fluorescent film and the manufacturing process of the fluorescent discharge lamp tube are the same as described in Example 6, they are omitted.
[実施例8]
表8は本発明になる低電圧発光CL蛍光体粉を混合した蛍光膜の更に他の例である。実施例6と7に使用した蛍光体では、貴重な希土類元素を使うので、非常に高価である。特に、資源の枯渇が見込まれるテルビウムTb元素を多量に使用する。これ等の貴重な元素を使用しない明るい蛍光放電灯の開発が急がれる。NTSCのx-y色度座標点で緑色に明るく発光する蛍光体はZn2SiO4: Mn2+ 蛍光体である。Zn2SiO4: Mn2+ 蛍光体粉にはPL 用とCL用により2種類の異なった製造法がある。従来の蛍光放電灯管に使われていたのはPL用Zn2SiO4: Mn2+ 蛍光体粉で、粒子表面にSiO2 絶縁体微粒子を多量に付着した蛍光体粒子粉であった。この蛍光体粉末は、管径の大きな蛍光放電灯に使用できたが、蛍光膜に形成する強いSBE鞘に陽光柱が収まるので、管径を細くした蛍光放電灯管の蛍光膜には使用できなかった。蛍光放電灯管の内壁面でSBEを形成しないZn2SiO4: Mn2+ 蛍光体粉は、120 eVの電子線照射下で明るくCL発光するZn2SiO4: Mn2+蛍光体粉である。このCL発光Zn2SiO4: Mn2+蛍光体粉を希土類付活した青色蛍光体粉と赤色蛍光体粉と混合すると、白色に発光する蛍光体粉が得られる。この蛍光体粉を管径15 mm以下のCCFL管の内壁に塗布する蛍光膜に採用すると、CL発光Zn2SiO4: Mn2+ 蛍光体粉の粒子上にはSBEが形成せず、陽光柱は蛍光膜まで接近し明るく発光する。従って、多色のPL蛍光体粉との混合粉で白色を出す蛍光膜にCL発光Zn2SiO4: Mn2+ 蛍光体粉を使用できる。管径が15 mm 以下の細管のCCFLが得られる。貴重なTbを多量に使用しなくとも、白色に発光するCCFLが得られる。表8に緑色がNTSC色度座標点を持つ白色蛍光膜を得る蛍光体粉の混合割合を示す。調合粉は表8に示したPL蛍光体粉に限定されず、CCFLに使用する他種類のPL青色発光蛍光体粉と他種類のPL赤色蛍光体粉の混合粉を使用しても同じ結果が得られる。蛍光膜の製造工程と蛍光放電灯管の製造工程は実施例6に述べたと同じであるので略す。[Example 8]
Table 8 shows still another example of the phosphor film mixed with the low voltage light-emitting CL phosphor powder according to the present invention. The phosphors used in Examples 6 and 7 are very expensive because they use precious rare earth elements. In particular, a large amount of terbium Tb element, which is expected to be depleted of resources, is used. There is an urgent need to develop bright fluorescent discharge lamps that do not use these precious elements. The phosphor that emits bright green light at the xy chromaticity coordinate point of NTSC is Zn 2 SiO 4 : Mn 2+ phosphor. There are two different production methods for Zn 2 SiO 4 : Mn 2+ phosphor powder for PL and CL. A conventional fluorescent discharge lamp tube used was a Zn 2 SiO 4 : Mn 2+ phosphor powder for PL, and a phosphor particle powder in which a large amount of SiO 2 insulator fine particles adhered to the particle surface. This phosphor powder could be used for fluorescent discharge lamps with large tube diameters, but the positive column fits in the strong SBE sheath formed on the fluorescent film, so it can be used for fluorescent discharge lamps with a narrow tube diameter. There wasn't. Zn 2 SiO 4 does not form a SBE the inner wall of the fluorescent lamp tube: Mn 2+ phosphor powder is bright CL emission under electron beam irradiation of 120 eV Zn 2 SiO 4: is Mn 2+ phosphor powder . When the CL emission Zn 2 SiO 4 : Mn 2+ phosphor powder is mixed with a rare earth activated blue phosphor powder and a red phosphor powder, a phosphor powder emitting white light is obtained. When this phosphor powder is applied to a phosphor film coated on the inner wall of a CCFL tube with a tube diameter of 15 mm or less, SBE does not form on the particles of CL emission Zn 2 SiO 4 : Mn 2+ phosphor powder, and the positive column Emits bright light as it approaches the fluorescent film. Therefore, the CL emission Zn 2 SiO 4 : Mn 2+ phosphor powder can be used for the phosphor film that emits white color with the mixed powder of the multicolor PL phosphor powder. Capillary CCFL with a tube diameter of 15 mm or less is obtained. CCFL that emits white light can be obtained without using a large amount of precious Tb. Table 8 shows the mixing ratio of the phosphor powder for obtaining a white phosphor film in which green has NTSC chromaticity coordinate points. The blended powder is not limited to the PL phosphor powder shown in Table 8, and the same result can be obtained by using a mixed powder of other types of PL blue light emitting phosphor powder and other types of PL red phosphor powder used in CCFL. can get. Since the manufacturing process of the fluorescent film and the manufacturing process of the fluorescent discharge lamp tube are the same as described in Example 6, they are omitted.
[実施例9]
経験で得られた結果によると、実施例8の細管CCFLの蛍光膜の構成は、約35重量%のCL緑色蛍光体粉と23 重量%のPL緑色蛍光体粉が含まれた時に最高の輝度が得られた。調合割合を表9に示す。表9の調合は実施例としての1例であり、調合するPL蛍光体は表9に示したPL蛍光体に限定されず、CCFLに使用する他種類のPL青色発光蛍光体粉と他種類のPL赤色蛍光体粉の混合粉を使用しても同じ結果が得られる。蛍光膜の製造工程と蛍光放電灯管の製造工程は実施例6に述べたと同じであるので略す。[Example 9]
According to the results obtained by experience, the composition of the fluorescent film of the thin tube CCFL of Example 8 has the highest brightness when about 35 wt% CL green phosphor powder and 23 wt% PL green phosphor powder are contained. was gotten. Table 9 shows the blending ratio. The formulation in Table 9 is an example as an example, and the PL phosphor to be formulated is not limited to the PL phosphor shown in Table 9, but other types of PL blue light emitting phosphor powders and other types used in CCFLs. The same result can be obtained by using a mixed powder of PL red phosphor powder. Since the manufacturing process of the fluorescent film and the manufacturing process of the fluorescent discharge lamp tube are the same as described in Example 6, they are omitted.
[実施例10]
実施例6〜9に使用した蛍光体は、クラーク数が小さく資源の枯渇が心配される貴重な希土類元素を使うので、非常に高価である。特に、資源の枯渇が見込まれるテルビウムTbとEu元素を多量に使用する。これ等の貴重な元素を使用しない明るい蛍光放電灯の開発が急がれる。本発明者は、旧来、蛍光放電灯管に使用していたハロ燐酸カルシウム白色発光蛍光体Ca5(PO4)3(F,Cl):Sb3+:Mn2+ に着目した。本発明者の研究によれば、ハロ燐酸カルシウム蛍光体で作られた蛍光膜は、蛍光放電管中でPIPに原因した放電発光の点灯に問題があった。更に、点灯中に蛍光膜に強いSBEが形成され、陽光柱は強いSBE鞘に収まり、陽光柱と蛍光膜間に介在するHg蒸気による254 nm紫外線の吸収があり、蛍光放電灯管の光出力を強く規制していた。このような現象が発生する主因は、ハロ燐酸カルシウム蛍光体の発光は、発光中心がSb3+とMn2+の増感作用を利用しており、1つの蛍光体粒子中で、Sb3+が直接254 nm 紫外線を吸収し、Sb3+の発光した青色光の一部をMn2+が吸収して黄色の幅広いバンドで発光し、2つの発光バンドで白色を出していた。付活剤の励起機構の分類に従えば、直接励起蛍光体であり、基体結晶の電子と正孔は発光に関与しない。この種の蛍光体は、電子線照射下では暗いCLしか発光しない。これは公知の事実である。見過ごされた点は、直接励起蛍光体粒子の物性は、基体結晶の電子と正孔が関与しないので、電子線照射下で絶縁体の特性を持つ事であった。既述したように、蛍光放電灯管内の蛍光膜には、陽光柱内で非弾性衝突した直後の電子の進行方向は無作為であり、蛍光膜にも高エネルギーを持った電子が届く。絶縁体に電子が照射すると、絶縁体粒子表面にSBEが形成する。SBE量は時間と共に積算され、結果として強いSBEができる。これがハロ燐酸カルシウム蛍光体を使用すると陽光柱はSBE鞘の中に入り、蛍光膜の輝度飽和現象となる。SBE鞘の問題を解決すれば、ハロ燐酸カルシウム蛍光体を内径2mmのCCFLの蛍光膜に適用できる。CCFLにハロ燐酸カルシウム蛍光体が使用できれば、資源の枯渇が心配されている希土類元素を使用しないで、安価な白色発光CCFLが得られる。ハロ燐酸カルシウム蛍光体が抱えていた放電発光の点灯遅れの問題は、蛍光放電灯に使用しているPL蛍光体に共通した問題であり、問題は解決できる。以下に実施例で解決法を述べる。[Example 10]
The phosphors used in Examples 6 to 9 are very expensive because they use rare earth elements that have a small number of Clarkes and are worried about resource depletion. In particular, terbium Tb and Eu elements that are expected to be depleted of resources are used in large quantities. There is an urgent need to develop bright fluorescent discharge lamps that do not use these precious elements. The present inventor has focused on the calcium halophosphate white light emitting phosphor Ca 5 (PO 4 ) 3 (F, Cl): Sb 3+ : Mn 2+ that has been used for fluorescent discharge lamp tubes. According to the research of the present inventors, the fluorescent film made of the calcium halophosphate phosphor has a problem in lighting of the discharge light emission caused by PIP in the fluorescent discharge tube. In addition, a strong SBE is formed on the fluorescent film during lighting, the positive column is housed in a strong SBE sheath, and 254 nm ultraviolet light is absorbed by the Hg vapor interposed between the positive column and the fluorescent layer, and the light output of the fluorescent discharge lamp tube Was strongly regulated. Mainly due to this phenomenon occurs, emission of halophosphate calcium phosphor luminescence center utilizes a sensitizing action of Sb 3+ and Mn 2+, at one phosphor particles, Sb 3+ Directly absorbed 254 nm ultraviolet light, and part of the blue light emitted by Sb 3+ was absorbed by Mn 2+ and emitted in a wide yellow band, and white in two emission bands. According to the classification of the excitation mechanism of the activator, it is a directly excited phosphor, and electrons and holes of the base crystal do not participate in light emission. This type of phosphor emits only dark CL under electron beam irradiation. This is a known fact. The point that was overlooked was that the physical properties of the directly excited phosphor particles had the characteristics of an insulator under electron beam irradiation because electrons and holes of the base crystal were not involved. As described above, the traveling direction of electrons immediately after inelastic collision in the positive column is random to the fluorescent film in the fluorescent discharge lamp tube, and electrons having high energy reach the fluorescent film. When electrons are irradiated to the insulator, SBE is formed on the surface of the insulator particles. The amount of SBE is integrated over time, resulting in a strong SBE. When this calcium halophosphate phosphor is used, the positive column enters the SBE sheath, resulting in a luminance saturation phenomenon of the phosphor film. If the problem of the SBE sheath is solved, the calcium halophosphate phosphor can be applied to a CCFL phosphor film having an inner diameter of 2 mm. If a calcium halophosphate phosphor can be used for CCFL, an inexpensive white light-emitting CCFL can be obtained without using rare earth elements which are feared to be depleted of resources. The problem of the delayed lighting of the discharge emission that the calcium halophosphate phosphor has is a problem common to the PL phosphor used in the fluorescent discharge lamp and can be solved. The solution will be described in the following examples.
表10に示したように白色発光ハロ燐酸カルシウム蛍光体粉70グラムと青白色に発光する低電圧CL ZnO蛍光体粉30グラムを秤量し、粉体混合する。この混合粉体を150グラムのビヒクルAと混合してスラリーを作る。以後の蛍光膜の製造工程は実施例6に述べたと同じであるので略す。得られた内径2 mmのCCFLはミリ秒の単位で瞬時に点灯し、蛍光膜上にSBEは殆ど検出できず、従来の25 mm管による蛍光放電灯よりも遥かに明るく発光するCCFLが得られる。本発明になるハロ燐酸カルシウム蛍光体粉の材料コストは現在市販されているCCFLよりも非常に低く、約十分の一である。開発した内径5 mm以上のCCFL蛍光放電灯は室内照明用として最適である。特に外径15〜20 mmのCCFLは部屋の照明に適する。開発した蛍光灯は安価であり、寿命は100,000時間以上と長いので、使用者の利益となる。 As shown in Table 10, 70 grams of white luminescent calcium halophosphate phosphor powder and 30 grams of low voltage CL ZnO phosphor powder emitting blue-white light are weighed and mixed. This mixed powder is mixed with 150 grams of vehicle A to form a slurry. Since the subsequent manufacturing process of the fluorescent film is the same as that described in Example 6, it will be omitted. The obtained CCFL with an inner diameter of 2 mm is lit instantly in milliseconds, and SBE is hardly detected on the fluorescent film, resulting in a CCFL that emits light much brighter than a conventional 25 mm tube fluorescent discharge lamp. . The material cost of the calcium halophosphate phosphor powder according to the present invention is much lower than that of CCFL currently on the market, about one tenth. The developed CCFL fluorescent discharge lamp with an inner diameter of 5 mm or more is optimal for indoor lighting. CCFLs with an outer diameter of 15-20 mm are particularly suitable for room lighting. The developed fluorescent lamp is inexpensive and has a long life of over 100,000 hours, which is beneficial to the user.
[実施例11]
実施例10で示したCCFLをLCDのバックライトに使用した時、赤色の光が足りない。純赤色で発光する蛍光体はEu3+イオンを発光中心とする蛍光体である。Eu3+を付活剤とする蛍光体は数多く発表されており、実用Eu3+蛍光体のいずれもが、電子線照射下で明るく発光する蛍光体である。それらの中で、110 eVの電子線で発光する蛍光体はY2O3:Eu3+蛍光体である。実施例11はY2O3:Eu3+蛍光体を赤色の補強とした例であるが、この蛍光体に限定されず、他の赤色蛍光体も赤色の補強に使用できることを限定するものではない。[Example 11]
When CCFL shown in Example 10 is used for the backlight of the LCD, red light is insufficient. A phosphor that emits light in pure red is a phosphor having an emission center of Eu 3+ ions. Numerous phosphors that use Eu 3+ as an activator have been published, and all of the practical Eu 3+ phosphors are phosphors that emit light brightly under electron beam irradiation. Among them, a phosphor that emits light with an electron beam of 110 eV is a Y 2 O 3 : Eu 3+ phosphor. Example 11 is an example in which Y 2 O 3 : Eu 3+ phosphor is reinforced in red, but is not limited to this phosphor, and it is not limited that other red phosphors can be used for red reinforcement. Absent.
表11は白色発光Ca5(PO4)3(F,Cl):Sb3+:Mn2+の赤色波長範囲の光を補強する目的で、表10の混合蛍光体粉に赤色発光Y2O3:Eu3+蛍光体粉 (611 nmに線発光波長を持つ)を添加した場合である。混合蛍光体粉はビヒクル A を使用してスラリーを調合した。以後の蛍光膜の製造工程は実施例6に述べたと同じであるので略す。得られた外形2 mm のCCFLは1ミリ秒前後の速度で瞬時に放電し、Y2O3:Eu3+蛍光体 (611 nmに線発光)の発光で色補正がなされ、LCDのバックライトに使用できる。その上で陰極電圧降下は観察できず、点灯しているCCFL管中の蛍光膜上にSBEは殆ど検出できない特徴を示す。Table 11 shows white light emission Ca 5 (PO 4 ) 3 (F, Cl): Sb 3+ : Mn 2+ in the red wavelength range for the purpose of reinforcing light in the red wavelength range of Table 10 with the red light emission Y 2 O. 3 : When Eu 3+ phosphor powder (having a linear emission wavelength at 611 nm) is added. As the mixed phosphor powder, a slurry was prepared using vehicle A. Since the subsequent manufacturing process of the fluorescent film is the same as that described in Example 6, it will be omitted. The obtained 2mm CCFL discharges instantaneously at a speed of around 1 millisecond, and color correction is performed by the emission of Y 2 O 3 : Eu 3+ phosphor (linear emission at 611 nm). Can be used for On top of that, the cathode voltage drop cannot be observed, and SBE is hardly detected on the fluorescent film in the lit CCFL tube.
本発明によれば、陰極電圧降下が無くなるから省エネルギーに貢献でき、外部電源の電流を低減でき、同時に電極近傍の明暗の縞状模様が無くなり、照度を格段に向上できる蛍光放電灯管を実現できる。また、本発明によれば、金属陰極の損耗が無いから蛍光放電灯管を長寿命化でき、蛍光放電灯管一本当たりの照度を格段に向上させ、急速点灯と全面点灯を可能にした蛍光放電灯管が実現できる。この蛍光放電灯管には直線管、曲線管、サークル管、蛍光電球及びその他の蛍光放電灯が含まれる。また、この蛍光放電灯管を利用したバックライト装置を有するLCD表示装置(液晶表示装置)も同時に提供することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a fluorescent discharge lamp tube that can contribute to energy saving because there is no cathode voltage drop, can reduce the current of the external power source, and at the same time, eliminates bright and dark stripes in the vicinity of the electrodes and can significantly improve the illuminance. . In addition, according to the present invention, since there is no wear of the metal cathode, the life of the fluorescent discharge lamp tube can be extended, the illuminance per fluorescent discharge lamp tube can be remarkably improved, and the rapid lighting and the entire lighting can be performed. A discharge lamp tube can be realized. The fluorescent discharge lamp tube includes a straight tube, a curved tube, a circle tube, a fluorescent bulb, and other fluorescent discharge lamps. In addition, an LCD display device (liquid crystal display device) having a backlight device using the fluorescent discharge lamp tube can be provided at the same time.
Claims (16)
前記ガラス管内に、
電位が付与される対向する一対の電極と、
前記一対の電極のそれぞれの表面に設けられ、前記電極に前記電位が付与されることによって分極する非対称性の結晶構造を有する電気絶縁体粒子を含む結晶粒子層と、
前記一対の電極間に設けられたガス空間と、を有することを特徴とする蛍光放電灯管。A fluorescent discharge lamp tube in which a fluorescent film is applied to the inner wall surface of a glass tube of a fluorescent discharge lamp ,
In the glass tube,
A pair of opposing electrodes to which a potential is applied;
A crystal particle layer including electrical insulator particles provided on the respective surfaces of the pair of electrodes and having an asymmetric crystal structure that is polarized by applying the potential to the electrodes;
And a gas space provided between the pair of electrodes .
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