CN101231935A - 无汞平面荧光灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无汞平面荧光灯，由两个分离电路组成，这两个分离电路是底板玻璃上的驱动电路和形成于氙(Xe)气腔室内的内部电路。该内部电路依靠表面束缚电荷由驱动电路接收电能，这些表面束缚电荷包含绝缘粒子表面的极化电荷(polarized charges)以及氙气腔室内离子化的Xe⁺和e^－电荷，这些电荷由驱动电路的交流电场感应生成。该内部电路在氙气腔室内的绝缘粒子上分别累积的Xe⁺和e^－电荷之间具有电子流；并且，氙气放电由氙气腔室内的移动电子生成。在因氙气腔室内的氙气放电而发出的真空紫外线光的照射下，涂覆于氙气腔室内壁上的荧光幕发出光致发光。由最佳化操作中所涉及的个别项目，发明了实用的无汞平面荧光灯。

Description

无汞平面荧光灯

技术领域

本发明是一种无汞平面荧光灯(FFL)，其由涂覆于真空容器内的玻璃平板的内表面上的荧光幕，因受到氙气(Xe)腔室内放电而发出的真空紫外线光照射而发出光致发光(photoluminescence，PL)；更精确地说，本发明是荧光粒子组成的荧光幕，它们能够减小起始点灯电位、维持电位、黑暗中的点灯延迟、以及氙气腔室内的荧光幕前面的移动电子的阻力；并且，本发明的荧光幕能够消除氙气放电的闪烁现象；本发明涉及缩短放电路径与荧光幕之间的间隙，以增加荧光幕上所到达的紫外线光强度；此外，本发明还涉及由行扫描驱动模式而减少平面荧光灯的操作耗电。

背景技术

人类保持白天活动的习惯七百万年，现已由发明光源将其活动大大延伸至黑夜。这些光源始于木材取火、燃烧火把、燃烧油、蜡烛和煤气等，利用燃烧火焰作为白热光源；在发现电子后，钨丝灯泡、管形荧光灯(FL)、具有荧光粒子的高亮度发光二极管(high brightness LED，HBLED)、以及无机和有机电致发光设备(分别是EL和OLEL)的薄膜板，都可作为白炽光源。钨丝电灯泡和HBLED如同日光一般属于点光源，它们会生成物体的黑影。七百万年以来，人眼已适应略微阴暗的天空的下的户外景色，因此人眼观看平面照明的下的物体(如同白天的户外景色)感到很舒服。日光直接照射下的景色(正如沙漠中的景色)，对于眼睛而言过于明亮；长时间观察较亮的景色，眼睛会受到永久性的损伤。平面照明的下有较适当的照明亮度。光是具有能量的粒子，根据《化学评论》(Chemical Review)中的文章(第103卷，第10号，第3835至3855页，2003年)(以下称为参考书目A)，略微阴暗的天空下的户外景色大约是由10²¹个光子/cm²秒所形成。平面照明应该对应这些数字。已开发的白炽光源被散射性板和薄膜覆盖使光散开，正如云对日光所起的作用一般。但是，我们还未具备舒适的平面光源。适当的白炽光源选择标准如下所述：

钨丝电灯泡的能量转换效率(输出光能/输入能量)是0.8％，并且，点亮时被加热到大约3000℃，正好低于钨丝的熔化温度(3422℃)。钨丝电灯泡利用改变钨丝的加热温度而有各种照明亮度，并且由于低生产成本，因此，一个世纪以来，钨丝电灯泡在住宅、办公室、商店和户外被广泛地用作照明源。作为光源，钨丝电灯泡的缺点在于温度上升发热和功率低。

近来，HBLED被期望取代钨丝电灯泡成为新的光源而吸引了人们的关注。HBLED的光线是由电子和空穴的再结合而产生。HBLED的量子效率(发出的光子数目/注入的电子数目)大约是50％。注入到LED的电子的50％能量转换成光，剩余的50％能量转换成热。例如，实际运用中的HBLED的操作是在5V条件下的60A/cm²。1A电流包含0.6×10¹⁹个电子/秒。运作的HBLED每秒发出大约2×10²⁰个光子/cm²秒，适合当作光源。HBLED的运作问题在于150W/cm²(＝60×0.5×5W/cm²)的能量会将HBLED加热到大约200℃的高温。HBLED由有掺杂物的薄膜构造而成，这些掺杂物形成发光中心。薄膜中的掺杂物是晶体杂质，并且，这些杂质由加热到200℃的薄膜缓慢地扩散出来，进而导致HBLED的光输出减少。实际操作寿命是关于HBLED使用上的严重问题。当EL和OLEL在高亮度的条件下运作时，依计算显示，情况与HBLED类似。

FL利用汞蒸气放电，汞原子数目由加热的管形FL的温度决定。在低压力的条件下，汞在大约40℃的温度汽化。低气压条件下汞蒸汽的放电属于电晕放电(corona discharge)，由于二维延伸的放电区域可于电晕放电过程中产生大量被激励的汞蒸汽，因此，FL的型态通常由管形玻璃而非点光源构成。电晕放电中的汞蒸汽于254nm波长处发出非常强烈的紫外线(UV)光，伴随有可见波长的许多线状光。涂覆于管形玻璃内壁表面上的荧光幕将254nm UV光的强大亮度转换成可见波长光。发出的光是光致发光(photoluminescence，PL)。来自FL的PL输出(PL_out)如下所示：

PL_out＝∫I_o ds dt    方程式(1)

其中，s是荧光幕的面积，I_o是亮度(luminance)，t是时间。关于给定的FL，I_o和t通常是恒定的，s是可变的。根据方程式(1)，PL输出与FL的s成正比。所以，在过去的50年间，FL由大直径(例如，大约3～5cm)的管形玻璃构成并用于照明。室温下的汞是液体状态。在FL灯中，汞必须汽化来放电，由增加辅助的氩(Ar)气，可以使汞汽化。10毫米汞柱的氩气的电晕放电温度，使汞加热至蒸发(蒸发温度T_b＝357℃)。氩气不发出强烈的UV光。商用FL的能量转换效率是大约20％。由于能量转换效率高、生产成本低，FL在现代生活活动中很受欢迎，并且可以节约能量，有利于环境保护。FL提供了一种具有微小荧光粒子的良好的散射光源。

FL中的荧光幕由几微米(μm)的荧光粒子排列构造而成，并且，荧光粒子不吸收可见光，其颜色为白色。除了粒子尺寸以外，实际的荧光粒子(请见参考书目A)还是具有不对称中心的晶体。不对称晶体具有很大的介电常数ε，该介电常数ε与折射率n有关(ε＝n²)。商用荧光体具有大约n＝2.5的高介电常数(ε≈6至10)。所以，这些光的约三分之一{(n-1)/(n+1)}在荧光粒子的内、外边界上反射。荧光幕本身作为一种良好的可见光散射材料。

FL的一个问题是管形光源，它不是平面光源。平面光源可以由多个平行排列的管形FL与光散射性外壳组成。这在实际应用中有不便之处。FL的另一个问题是PL输出随输入功率的增加而饱和，这是因为未激励的汞蒸汽在放电柱与荧光幕之间进行自吸收的缘故。电晕放电柱的直径随着输入功率的增加而缩短，因此荧光幕与放电柱之间未激励的汞蒸汽的数目随输入功率的增加而增加。如上所述，来自荧光幕的PL输出在相当广泛的范围内与荧光幕上的UV光强度成线性关系。虽然由管形FL生成的UV光子的数目随输入功率的增加而增加，但是，荧光幕上所到达的UV光子的数目是一个常数。这样，来自管形FL的PL输出显然随输入功率的增加而饱和。

电晕放电柱与荧光幕之间的间距可由管形玻璃直径的减小而缩短。当FL的管形玻璃的直径缩小时，来自FL的PL输出确实增加了。然而，氩气放电的点灯电压显着增加，因此需要高外施电压，但此高外施电压加速激发的Hg⁺和Ar⁺离子，撞击并破坏了阴极丝。由将金属(冷)阴极应用于小管径的管形FL，亦即冷阴极荧光灯(CCFL)，灯丝阴极的损害问题得到了解决。CCFL的操作，需要具有用于电晕放电点火的高电压-几kV，这需要大量的操作设备和成本。实际上，由应用很小尺寸的压电变压器，就可以解决这一难题。由应用压电变压器，CCFL的内部直径缩小到1cm，并且进一步缩小到1-2mm。由于CCFL玻璃温度增加，氩气气压增加到大约50托(torr)，进而产生很高的254nm UV光强度。较窄的管内的CCFL有很高的氩气气压。由于FL和CCFL的开发，PL生成的基础理论、UV放电光和荧光幕的组合已得到充分的研究。

将CCFL和光扩散板结合，使平面光源得以实现。利用CCFL的平面光源被广泛用作液晶显示(LCD)设备的背光源。CCFL平面光源的最大亮度受到管形玻璃的温度以及功率消耗的限制。CCFL的另一个缺点是直径狭窄，处理起来易于损坏。由于CCFL的这些缺点，即使可以利用多个CCFL的排列构成更亮的平面光源(以较高成本)，但其用途仅限于LCD背光源。过去30年以来，人们一直在等待开发一种实用的FFL，其操作温度低、功率消耗低、容易处理、生产成本低。此外，由于环境保护的限制，开发出来的FFL必须是无汞的。所以，在FFL的开发过程中，必须去掉汞。在我们的现代生活中，实用FFL的开发是一项紧迫的任务。

众所周知，早在19和20世纪的真空科学时代，低气压条件下的氢(H)、氦(He)、氮(N)、氧(O)等气体以及稀有气体〔氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)〕，当施与高频(例如，KHz)电磁场时，可于密封的真空玻璃容器内放电。N.Tesla在1893年揭示了使用玻璃灯泡的气体放电灯。利用玻璃作为电介体，电磁场可以由置于玻璃管外部的电极，作用于真空玻璃容器内的气体。于此，氢、氦、氮、氧等气体的放电没有强烈的UV光，氪气和氡气对于FFL而言太昂贵，实用的气体局限于氙、氖和氩。在它们之中，氖和氩具有可见波长的放电光，并且，它们不会发出强烈的UV放电光。高气压条件下的氙气会有电弧放电，放电的氙气在高温下发出强烈的白光。在低气压条件下，氙气可发出强烈的147nm和172nm UV光，它们是真空紫外线光(VUV)，其操作温度较低。在低气压条件下，氙气放电属于电晕放电。当阳极和阴极的金属电极安装在氙气腔室内时，氙气放电的临界电压在直流电源的条件下非常高(大于7kV)。在高频交流正弦电压的条件下，临界放电电压显着降低到几kV。受限于电磁场的传播距离，高频电场内的放电距离短(例如，几毫米至厘米)。所以，氙放电不期望有长纵向放电路径(管形FL)。

在过去30年间，以实际应用为目标，有许多关于氙气短距离放电的报告。例如，电浆显示设备(PDP)的商品化，并且，FFL得到开发，这是使用来自被147nm和172nm VUV光照射的荧光幕的PL。PDP利用小金属电极(尺寸等同于按毫米计算的图像像素)之间的氙放电，这些小金属电极被安装在平面玻璃容器的玻璃底板内；并且，荧光幕被涂覆于顶部玻璃平板的内表面上。在PDP设备中，氙气在金属电极之间放电，这些金属电极具有用于将放电电压减小到大约500V的复杂结构。根据经验，现已发现若玻璃底板的各电极之间的表面以氧化镁(MgO)薄膜来覆盖，那么，氙放电的临界值会明显降低。一般认为MgO所具有的二次电子与输入电子的发射比率很大，并且，MgO薄膜上的表面具有许多自由电子。根据上述理论，MgO薄膜上的自由电子被阳极电场加速并平稳地朝向阳极移动。加速的电子与氙气碰撞，造成离子化，进而导致氙气放电。在这里出现了一个实际难点，即MgO薄膜不总是具有表面传导性；表面传导性有时高，有时低。具有表面传导性的MgO薄膜的构成的再现性不良。此外，MgO具有很高的熔化温度(T_m＝2825℃，相较于Al₂O₃，的T_m＝2054℃和SiO₂的T_m＝1470℃而言)。所以，在基片上制作MgO薄膜是一项艰巨的工作，进而导致PDP的生产成本上升。除了MgO薄膜以外，在PDP的生产过程中装配电极，以及在肋状结构的表面上构成荧光幕皆要求高精细度。虽然FFL中的荧光幕的激发与PDP相同，都是来自氙气放电的VUV光，但高生产成本的高精细度要求对于FFL的开发并不实用。该生产成本应该与CCFL和FL的低生产成本相竞争。FFL的生产要求用于氙气放电和荧光幕的构造必须简单，以达到消费者可以接受的廉价的生产成本。

根据Gellert等人的美国专利公告第5,006,758号，可以在玻璃层上的小空间内进行氙气放电，该空间由图1中的真空容器(1)内由熔融玻璃层所构成绝缘体(7)及排列中的一对电极(5)、(6)所限定。与PDP的电极比较而言，该公告内容为我们提供了一种简单许多的电极构造，以用于在真空腔室内产生氙气放电。应该注意的是，如上所述，由电磁场由玻璃层进行氙气放电的原理，已由早期的真空科学为人所周知。一个典型的例示是利用Tesla线圈在玻璃管内进行气体放电。御子柴(Mikoshiba)的报告中指出，如果该玻璃管用线圈缠绕，并且如果该线圈进行高频操作，那么，玻璃管内的氙气放电。根据美国专利公告第5,006,758号，利用玻璃底板的内表面上的银(Ag)膏的印刷技术，可以制作电极。在银膏变干的后成为电极，并以熔融玻璃覆盖。该熔融玻璃因大约450℃至550℃的热度而熔化。银电极必须被熔化的熔融玻璃完全覆盖。厚熔融玻璃层的功能与玻璃容器一样。对于FFL，熔融玻璃层有一适当的厚度。美国专利公告第7,148,626号揭露了0.3mm至1.1mm的厚度。

图1A和图1B说明了凭经验发现的氙气(20)在FFL中放电。由于氙气(20)不与金属电极(5)(6)直接接触，因此，如图1A所示，真空腔室(1)内的氙气(20)不会因施加直流电(DC)电位而放电，即使在阳极电位很高(例如，10kV)的情况下也是如此。如图1B所示，当高频(＞15kHz)交流电施加于该对电极(5)(6)时，腔室内的氙气在不同极性的电极之间的限定空间内局部放电。如前所述，这一现象在19世纪晚期已被发现。来自放电的VUV光照射在荧光幕(8)上，这些荧光幕被涂覆于玻璃顶板(3)的内壁表面上以及真空容器(1)的玻璃底板(2)上由熔融玻璃构成的绝缘体(7)的表面上。小尺寸的放电电极对间隔排列在玻璃底板上；因此，PL不连贯地在FFL中的荧光幕上发出。平面FL由许多不连贯的PL区构成，但PL被广泛地散射；平面FL的生产是在玻璃底板上排列许多被嵌入的带状电极对。

没有电子流穿过绝缘体(7)到充满氙气的腔室。尽管由绝缘体(7)隔离成对的电极(5)(6)间所产生的氙气放电机制在出版物中仍然不清楚，基于经验的发现FFL的研究仍导致各种发明。美国专利公告第5,604,410号揭示了用于生产氙气灯泡的电极的更简单配置，这是利用将阳极电极排列在真空腔室的玻璃的外表面上，并将阴极金属电极排列在真空容器的中心。本案发明人分析了Vollkommer等人的美国专利公告第5,604,410号的放电数据，发现该专利内容与FFL没有直接的关系，但该专利内容描述了一个重要的发现，即真空容器外部的阳极电极与真空容器内的阴极金属电极之间的氙放电操作。三角形状的放电图案(顶部是阳极，底部是阴极)形成于其氙气灯内，进而指出氙气在阳极上的空间与阴极的空间之间的灯内进行放电。其结果如图2所示，图2示意性地展示了嵌入绝缘体(7)内的电极(5)(6)的配置以及真空腔室内的氙气放电方向。对于FFL中的氙气放电分析而言，关于电子流的观察是重要的发现，但美国专利公告第5,604,410号的发明人并不知道其不可忽视的结果。

美国专利公告第5,604,410号已凭经验发现其应用于驱动电路的电极(5)(6)的适当波形。脉冲电压而非正弦交流电压可使放电快速开始。利用两个部分的脉冲(利用V_p的初始尖峰信号期t_s以及利用V_i的空闲期t_i)，可获得最佳的性能。t_s的值被定义为峰值电位V_p的一半的时间。氙气放电由施加V_p而开始，然后，放电利用V_i而在空闲期内接着进行。典型脉冲由t_s＝1.2μs和t_i＝37.5μs构成。阴极施加4kV的负峰信号电位，阳极接地，VUV光强度于25kHz的脉冲频率时被最佳化。与用于CCFL的荧光体相类似的荧光体被用于荧光幕，这些荧光幕被涂覆于真空腔室的内壁上。它们是发出蓝色PL的BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺(简称为BAM)、绿色PL的Y₂SiO₅:Tb³⁺、以及红色PL的Y₂O₃:Eu³⁺。

Vollkommer等人的美国专利公告第5,994,849号揭示了FFL-是将阳极和阴极的带状电极排列在平面真空容器的玻璃底板外部。大尺寸的FFL是用于液晶显示器(LCD)的背光源，并且以脉冲电压来操作。

Vollkommer等人的美国专利公告第6,034,470号揭示了置于真空容器内的电极，这些电极完全用熔化的薄熔融玻璃覆盖。该熔化的薄熔融玻璃具有许多针孔。当电极上的熔融玻璃具有针孔时，该电极无法运作。阴极的带状物有许多鼻状延伸部分，用于改善点灯延迟。涂覆于真空容器内壁上的荧光幕含蓝色的BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺、绿色的LaPO₄:Ce³⁺:Tb³⁺(简称LAP)和红色的(Y，Gd)₂O₃:Eu³⁺荧光体。Al₂O₃和/或MgO层可插入荧光幕与底板之间作为反光层使用，以增加来自荧光幕的PL输出。

Vollkommer等人的欧洲专利公告第EP-A0363832揭示如下：当反光层具有高δ值的二次电子比率时，FFL的点灯电压V_p进一步降低。这类材料是MgO、Yb₂O₃、La₂O₃和Ce₂O₃。由于当荧光幕涂覆于那些材料的层上时，根据Dll的假设，反射层上的荧光层阻碍了二次电子的发射，进而增加了氙气的V_p，因此Dll的美国专利公告第6,984,930号揭示了由电极附近局部除去反射层上的荧光幕来降低V_p。

虽然有许多已核准的专利及公开的文献提及FFL的开发，但上述说明足以涵盖这些已知的技术。然而，这些公开的专利和文献仍未足以生产出实用的FFL，其中包含FFL在开发中被忽略的其它东西。现在需要一种FFL，该FFL能够具有更明亮的PL、很低的功率消耗、以及低生产成本的简单结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无汞平面荧光灯。

为实现上述目的，本发明提供的无汞平面荧光灯，其包含：

一底板玻璃上的一驱动电路和形成于氙气体腔室内的一内部电路，其中，该驱动电路及该内部电路在电子流中被隔离，及一荧光幕涂覆于该氙气体腔室的一内壁上。

所述的无汞平面荧光灯，其中，该内部电路包含该氙气体腔室内的氙气和发光粒子。

所述的无汞平面荧光灯，其中，该内部电路包含由离子化气体的电荷构成的电源，该电荷与极化电荷约束在一起，来自该驱动电路的电场使该极化电荷于该发光粒子的表面体中感应。

所述的无汞平面荧光灯，其中，该内部电路还包括一开关，该开关的运作是由该发光粒子的表面释放的电子移动到该发光粒子上累积的正电荷。

所述的无汞平面荧光灯，其中，该内部电路还包括一电阻，该电阻的形成是由因与相同极性的电荷的排斥而阻碍移动电子路径、以及由与该气体腔室内的氙气的碰撞。

所述的无汞平面荧光灯，其中，该氙气体腔室内的氙气由放电来发出紫外线光。

所述的无汞平面荧光灯，其中，发光粒子于该氙气体腔室内构成荧光幕，且在紫外线光的照射下，该荧光幕发出可见光谱波长的光。

所述的无汞平面荧光灯，其中，该无汞荧光灯用作液晶显示器的背光源。

所述的无汞平面荧光灯，其中，作为背光源的该无汞荧光灯由线性扫描模式进行操作。

所述的无汞平面荧光灯，其中，该无汞荧光灯用作照明源。

附图说明

图1A和图1B所示为公知的平面荧光灯的部份剖视图。

图2所示为平面荧光灯的玻璃底板上的电极的部份剖视图。

图3A和图3B所示为施加于平面荧光灯二电极的单个周期的驱动电位。

图4所示为平面荧光灯玻璃底板上的二电极及等效的驱动电路的剖视图。

图5所示为嵌入玻璃底板上的绝缘体内二电极的剖视图；其于绝缘层中具有电极电场执行的极化电荷，其在氙气腔室内的离子化Xe¹⁺和e^-在绝缘体表面前方与绝缘体中的极化反电荷约束在一起。

图6A和图6B所示为氙气腔室内氙气放电方向的示意图。

图7所示为平面荧光灯中等效的驱动电路和内部电路的示意图。

图8所示为氙气放电点火的波形。

图9A和图9B所示为嵌入绝缘层的粒子中和置于氙气腔室内的粒子中所感应的极化电荷的示意图。

图10所示为绝缘层上的绝缘粒子的层与氙气放电路径之间的荧光幕的部分剖视图；电极电场使该绝缘层极化，该氙气放电路径由累积的电子到荧光幕前面累积的Xe¹⁺。

图11所示为说明极化绝缘体表面上的表面束缚电子的示意图。

图12所示为绝缘粒子层与阴极线发光的荧光粒子层之间的荧光幕部分剖视图；它们在平面荧光灯中的氙气腔室内生成自由电子，并且，由累积的Xe¹⁺电荷吸引自由电子，来进行氙气放电。

图13所示为绝缘粒子的阴极线发光的荧光幕和层的部分剖视图；在阴极线发光的荧光幕上生成自由电子，并且，由移动累积的Xe¹⁺电荷所吸引的电子，来进行氙气腔室内的氙气放电。

图14A、图14B和图14C所示为表面束缚电子(SBE)的各向异性可移动性。

图15所示为由摩擦发光的和阴极线发光的荧光粒子制作于极化绝缘体上的荧光幕。

图16所示为处于反射模式和传输模式的荧光幕的相对PL强度，作为荧光粒子层数的函数。

图17所示为在平面荧光灯的底板玻璃和顶板玻璃的内壁上掩蔽的荧光幕的一部分。

图18所示为与帧扫描比较而言，在利用行扫描的情况下平面荧光灯的功率节约示意图。

附图中主要组件符号说明：

真空容器(1)

玻璃底板(2)

玻璃顶板(3)

电极(5)

电极(6)

绝缘体(7)

荧光幕(8)

电源(9)

电容器(10)

开关(12)

电阻(13)

绝缘粒子(14)

压电粒子(15)

荧光幕(16)

荧光粒子(17)

表面束缚电子(18)

绝缘体(19)

氙气(20)

具体实施方式

本发明的发明人投入研究以解决于开发实用FFL所遇到的上述问题。研究结果是，本发明的发明人发现FFL操作中所涉及的氙气放电的基础概要与两个分离的电路有关。它们是(a)与氙气腔室外部的驱动电极直接连接的驱动电路；以及(b)形成于氙气腔室内的内部电路。两个电路在电子流中彼此独立。

因我们的知识有限，迄今为止还没有对FFL的内部电路进行讨论。所以，在描述本发明之前，本发明的发明人希望定义FFL的驱动电路和内部电路。图3A展示了嵌入FFL的玻璃底板(2)上的绝缘体(7)内的各电极之间的驱动电路的基本原理。图3A中的等效电路可以由图3B来表达，包括电源(9)、电容器(10)、绝缘体(7)以及一对电极(5)(6)。在本发明的揭露内容中，图3B中的等效电路被定义为驱动电路。

当符合以下条件时，氙气腔室内将形成内部电路：对于在氙气腔室内构成内部电路而言，绝缘体(7)的表层(surface volume，于后简称SV)上的极化电荷具有重要的角色。极化电荷也在绝缘体(7)的整个体积内分布地生成。最大强度的极化在电极上的法线方向上。图4展示了绝缘体(7)的内部边界上的极化电荷。绝缘体(7)的内部边界处的电荷极性分别对应于电极(5)(6)的极性。绝缘体(7)的SV处的每个极化电荷将其电场延伸到氙气腔室。绝缘体(7)的外部暴露于氙气中。氙气是电中性气体，因此，氙气不与绝缘体(7)的SV中的极化电荷交互作用。当电极具有极高的直流电电压(例如，20kV以上)时，氙气腔室内的氙气离子化。离子化的氙气(Xe¹⁺和e^-)具有电荷可与绝缘体(7)的SV中的极化电荷的电场交互作用。20kV的直流电电压对于实用FFL而言太高。当施加的电压为高频(例如，30kHz以上)时，氙气腔室内的氙气可被较低的电压(例如，若干Kv)离子化。Xe¹⁺和e^-被极化电荷分别吸引，并被约束于极化绝缘体(7)的表面上。当绝缘体(7)表面上的束缚Xe¹⁺的数量很高时，束缚Xe¹⁺具有很高的正电位。很高的正电位中的束缚Xe¹⁺可以由束缚电子那里吸引电子。被吸引的电子沿着荧光幕前方移动。在移动过程中，电子被加速，并且，加速的电子与氙气碰撞，以生成氙气放电。最后，移动电子到达Xe¹⁺并中和。图5展示了氙气腔室内的放电方向。应该注意，根据关于固态的教科书，真空、液体和固体中的电子流方向是由阴极到阳极。如果注意驱动电路中电极(5)(6)的极性，与氙气放电方向相对应的电子流方向是相反方向。如果考虑束缚电荷，图5中的氙气放电是正确的方向。在没有来自驱动电路中的绝缘体和电极的电子流的情况下，上述放电过程发生于一个电场波形期间。在实际的FFL操作中，这些放电过程重复循环进行。图6B所示包含电源(11)、开关(12)和电阻(13)就是内部电路。很明显地，驱动电路与内部电路之间没有电子流，但电能由：(a)电极(5)(6)的电场E(E＝V/r，其中，r是离电极的距离)所进行的绝缘体极化(必要条件)，以及(b)电极(5)(6)的电场所进行氙气离子化(视为充分条件)；来由驱动电路转移到氙气腔室内的内部电路。在有机化学中可以发现类似的能量转移机理。在有机材料的合成与裂化的催化活性领域中，已充分研究了由极化催化绝缘体到周围溶液的能量转移。在我们的案例中，周围的媒介是气态。气态发生了什么事？电子在不同极性的束缚电荷之间移动使氙气腔室内的氙气产生放电。本案发明人发明一种极化电荷增加的方法，这些极化电荷形成于氙气腔室内的绝缘粒子的表层中。驱动电路的电极(5)(6)的电场使氙气腔室内的绝缘粒子发生极化。由压电粒子，可使得极化电荷进一步增加。

为了使氙气腔室内的氙气放电最佳化，图6B中所示移动电子的电阻(13)应予以最小化。氙气腔室内的移动电子的阻力为(a)与氙气的碰撞与(b)电子运动路径中的障碍。与氙气的碰撞可由氙气压来加以控制。本案发明人发现了电子路径的障碍源。电子在由荧光体粒子构成的荧光幕前方移动。商用荧光粒子常因表面被覆微粒子处理而受污染。在FFL和FL荧光幕的以往研究中，忽略了被污染的荧光粒子。此外，FFL容器内壁亦常使用许多其它的绝缘粒子(如Al₂O₃、MgO或其它的绝缘粒子)覆盖。在FFL运作中，来自电极的电场使那些粒子极化，并且，由于电场进行离子化，那些粒子也暴露于Xe¹⁺和e^-上。Xe¹⁺和e^-与绝缘粒子的SV中的极化电荷紧密地束缚在一起。紧密束缚电荷是表面束缚电荷(Surface-Bound-Charge，于后简称SBC)。本案发明人发现：商用荧光粒子是以SBC形成电的屏蔽。SBC的电场阻碍了荧光幕上的电子路径，进而引起彩虹形状的放电、闪烁、较亮的边缘区域以及较大但黑暗的中央区域。利用表面干净的荧光粒子，可以由荧光幕完全去除SBC，进而使氙气放电过程中的电子路径变直。变直的电子路径在荧光幕表面的前方，进而在放电路径与荧光幕之间产生最小之间隙。因此，在FFL中，间隙内的氙气所进行的自吸收最小化。所以，荧光幕上的VUV光强度增加，进而使来自荧光体的PL输出显着增加。

由将阴极线发光的荧光体(cathodoluminescent phosphor)和摩擦发光的荧光体(triboluminescent phosphor)应用于荧光幕，本发明的FFL解决了：(1)高初始尖峰信号电压V_p、(2)维持电压V_m、以及(3)黑暗中的点灯延迟等问题。

本案发明人发现：氙气放电未点灯延迟，因此FFL可以线扫描方式运作。虽然每帧周期由水平线来扫描屏幕，但是，由于视觉暂留之故，眼睛无法察觉扫描行，而是看到均匀发光的屏幕。因此可以减少FFL的功率消耗至S_line/S，其中S为总屏幕面积，S_line为行的发射面积。如果S_line是S的0.1，那么，FFL操作的功率消耗是帧扫描的0.1。FFL的行扫描比CCFL和FL光源更胜一筹。作为LCD应用的背光源以及用于室内照明的光源，本发明FFL的另一个优点是节约功率。

此外，当本发明的FFL被应用为LCD的背光源时，LCD萤幕的黑阶变成正如木炭黑一般的真黑，进而在LCD萤幕上产生具有来自真黑的高反差比的清晰的视频图像。另一个优点是，LCD萤幕上的图像的反应时间实际上由背光源的反应时间来确定，这不取决于液晶层的反应时间。这样，在LCD萤幕上提供了清晰的图像，而非模糊不清的图像。LCD萤幕上的彩色图像正如印刷在绘画纸上的彩色图像。在观赏LCD萤幕上自然的图像，上述的特征可保护人眼免遭永久性损伤。

现在请参阅附图来详细描述本发明的较佳实施例。在下文中，平面荧光灯FFL将被描述为光致发光的发生器，这是由于利用与驱动设备连接电极的运作，将使氙气放电的真空紫外线(Vacuum Ultraviolet，VUV)光转换成可见光。虽然以下的说明是以单一放电单元来进行说明，但是，实际上的FFL包含许多放电单元，这些放电单元排列在FFL玻璃平板的整个区域上。

虽然如图1所示的FFL实际上是利用玻璃底板(2)上的驱动电路的电极(5)(6)进行运作，但是，在电子流中氙气腔室内的氙气不与电极(5)(6)直接连接。图2所示为电极(5)(6)用绝缘体(7)覆盖，绝缘体(7)将驱动电路和氙气腔室分离。所以，FFL本质上由电子流中的两个电路构成：FFL的玻璃底板(2)上的驱动电路〔图6A所示〕和FFL中的氙气腔室内的内部电路〔图6B所示〕。FFL由驱动电路操作，许多科学家和工程师已在电源电线连接容易度和信号测量容易度方面对FFL进行详细的研究。本发明并不涉及驱动电路和驱动电路的操作。本发明是由图6B所示的内部电路构成以及内部电路的运作所包含的个别项目的最佳化。其它人还未研究过这个主题。

当嵌入绝缘体(7)内的电极(5)(6)与直流电(DC)电源(9)连接时，绝缘体(7)处于来自电极(5)和/或(6)的电场E之下，并且，电场E使绝缘体(7)的晶格变形。据此，绝缘体(7)具有极化电荷。绝缘体(7)中的极化电荷是表观电荷且无法脱离。极化电荷的典型运用是电容器。由绝缘体(7)的极化电荷，可在两电极(5)(6)之间形成电容器。电容器的电容量C是由二电极之间的绝缘体体积中的极化电荷的数量决定，并且，C可以表达为C＝εS/d，其中，ε是绝缘体的介电常数，S是绝缘体与电极的接触面积，d是二电极之间的距离。对于给定的电容器而言，ε、S和d不变。与极化电荷相对应的晶格变形大小是施加于绝缘体的电场E的线性函数。电极之间的绝缘体中的极化电荷Q可由Q＝kCV求出，其中，k是恒定的。故Q随施加于FFL中的驱动电路的电压V而改变。

驱动电路的驱动条件是：绝缘体中的极化电荷在直流电电位的情况下不改变极化方向，但它们在高于临界频率的交流电(AC)电位下会改变极化方向。由改变方向，可于驱动电路中出现感应电流，这由阻抗(Z)决定，即Z＝jωC，其中，j是虚常数(j²＝-1)，ω是频率。虽然有感应电流，但是，在交流电电场和高频率的条件下，电子并未由电极穿越绝缘体。在交流电电场和高频率的条件下，变形晶格的方向随频率而改变。极化方向的变化是一种晶格振动，会产生热量。绝缘体的发热并不是由流动电子的碰撞所引起，而是交流电电场下的晶格振动所导致。在实务中，利用驱动电路的运作，可在氙气腔室内产生氙气放电。本案发明人发现了由驱动电路到内部电路的能量转移机制，要点为在电极的电场E下利用绝缘体中的极化电荷。

如上所述，氙气腔室的内部电路，由利用电极(5)(6)的电场E极化绝缘体(7)(必要条件)以及利用电极(5)(6)的电场E使氙气离子化(充分条件)，来触发的。当施加于电极(5)(6)的电位不足以大到可在绝缘体(7)的SV中生成极化电荷时，绝缘体(7)上所形成的电荷Xe⁺的数量太小，无法吸引表面束缚电子(以下简称SBE)。虽然在一周期的交流电位期间，绝缘体(7)上所产生的SBC对于产生内部电路而言太小，但是，利用重复的电场周期可在绝缘体(7)上累积SBC。SBC与邻近相反的极化电荷之间的距离很短(相距5μm)，因此约束力很强。电子与空穴的约束力是F_SBC＝e^-/5×10^-4cm＝e^-2×10³/cm，电极对电子的约束力(相距1mm)是F_electrode＝e^-/1×10^-1cm＝e^-×10/cm，F_SBC/F_electrode＝200，极化电荷的约束力比来自电极(5)和(6)的电场的约束力强200倍。所以，在交流电功率的波形改变之后，SBC继续停留在表面上。当电极(5)(6)在下一个周期再恢复为原来的极性时，电极(5)(6)的电场在氙气腔室内产生新的Xe¹⁺和e^-。氙气腔室内的新电荷在同一地方加入先前所形成的SBC。在不断重复的周期中，持续地使Xe¹⁺和e^-累积到绝缘体(7)上的SBC，直到SBC变成足够数量的X¹⁺以便由SBE中吸引出电子。电荷累积期间大约为数个周期，取决于所用的电位；电荷累积期间即为氙气放电的点灯延迟。实际上，它是在绝缘体(7)上累积SBC以便由相反的SBC中吸引出电子的时间。电场可改变绝缘体(7)的SV中的极化电荷的数量。所以，对于给定的绝缘体(7)，增加施于电极(5)(6)的电位，可以解决点灯延迟。图7所示是包括V_p和作为维持电压的V_m的波形的示意图。

交流电源的波形和峰值电位对于形成足够的SBC有显着影响。由将脉冲周期而非交流正弦应用于电极(5)(6)，氙气放电的起始电位的确已减小到几kV范围。起始放电的较佳波形不是矩形。较佳波形包括两个部分：如图7所示的初始尖峰信号电位V_p和维持电位V_m。初始尖峰信号电位V_p指出：利用V_p立即在氙气腔室内开始氙气放电，并且，以后的氙气放电中涉及不同的放电机制。我们必须考虑氙气放电中涉及两个不同的机制。如果给定波形有点灯延迟，如上所述，由增加V_p并/或延长V_p的峰值期限，可以解决点灯延迟，如图8所示，这是以牺牲驱动设备成本作为代价。内部电路的开关取决于累积的电荷，这可以由V_p和周期数目的组合而改变。

由给定介电常数ε下的高V_p以及给定V_p下的大介电常数ε，可达到大的极化。作为实际显示，V_p应该为FFL的驱动设备的成本而最小化。在其它人开发的FFL中，绝缘体(7)的ε值为熔融玻璃的ε，约为4。当绝缘体粒子进入电场E时，该粒子极化，并且，极化电荷的数量与ε值成比例(P＝εE)。所以，进一步增加绝缘体(7)的ε值的方法是：将具有比ε＝4更大的ε值的粒子加入绝缘体(7)。图9A展示了由附加绝缘粒子(14)以增加绝缘体(7)上的SBC(Xe¹⁺)。用于加入绝缘体(7)的合适的粒子在绝缘体(7)的熔化温度下不会熔化，并且在绝缘体(7)的熔化温度下不会与绝缘体(7)的成分起化学反应。较佳的材料是平均尺寸为0.5～15μm的氧化物、铝酸盐、硅酸盐、榍石、磷酸盐和硫化物的粒子。由在绝缘体(7)中添加粒子，驱动电路的操作电容因而增加。实用的FFL不希望这样。

在绝缘体(7)上被覆由上述的粒子之一或上述粒子组合所构成的层状结构，可以在不增加驱动电路电容的情况下进一步降低V_p。添加的粒子被电场E极化，但驱动电路中并不直接涉及粒子的极化。绝缘体(7)上的粒子必须处于来自电极(5)(6)的充分的电场E之下。所以，绝缘体(7)的厚度应该尽可能薄。粒子的尺寸是1～15μm，并且，与绝缘体(7)的厚度比较而言，粒子上来自电极(5)(6)的电场的差异变化小得可以忽略不计。因为极化电荷分布在绝缘体(7)的SV处，所以，粒子(14)的型式较平面薄膜的型式有利于SBC的累积。在一给定面积为S的屏幕区域内的一层排列粒子，其总表面面积S_total为πS≈S的3倍。由绝缘粒子，可增加SBC的数量。图9B所示为置于绝缘体(7)上的绝缘粒子(14)上的SBC(Xe¹⁺)的增强。

参考〔阴极线发光，理论和应用，Kodansha Scientific，日本，1990年〕这本书，排列在限定的区域内的粒子的总表面面积是粒子层数的函数，与粒子尺寸无关。绝缘体(7)上的每个绝缘粒子(14)构成一个电容器，因此，绝缘粒子以小粒子(小体积)的型式较佳。底板玻璃(2)的给定区域上的绝缘粒子(14)上有效的粒子表面面积随层数而增加。与绝缘体(7)的厚度比较而言，来自电极(5)(6)的电场在多层粒子内的差异变化可以忽略不计。本案发明人只考虑粒子层数，用于减小V_p。粒子层的最佳数目根据基片上的粒子粘着来确定。在实用的FFL中，粒子在有粘着剂(binder)和没有粘着剂(binder)的情况下都应该粘附在玻璃板上。经验上，绝缘体(7)上粘合的粒子尺寸约为1μm至15μm。大于15μm的粒子有较大质量，并且，容易因小的机械冲击，如真空泵的起动，由绝缘体(7)脱离。层数由以下条件确定。粒子表面应该暴露于氙气上，用以构成SBC。粒子层数由最大的表面面积和最小的电容量决定。这二者是互相矛盾的条件。一种折衷办法是将粒子层的最佳数目定为2～8层。若粒子有3层，则S_total是S的9倍以，若粒子有5层则为15倍。这样，由应用绝缘粒子，绝缘体(7)上的SBC的数量随粒子的层数而急剧增加，使V_p降低至3kV的范围低。如上所述，欧洲专利公开第0,363,832号揭示了添加MgO、Yb₂O₃、La₂O₃和Ce₂O₃作为FFL的V_p降低材料，但没有记载粒子尺寸、粒子层数和晶体物理属性。本案发明人发现了氙气腔室内的绝缘粒子中的极化电荷的利用。这是与上述现有技术不同的发现。本案发明人发现了粒子的表面体中的极化电荷用于构成内部电路。为了最佳化内部电路的操作，本案发明人明确定义粒子的性质，并根据关于极化电荷最佳化的科学特性来提供最佳粒子尺寸和粒子的层数。这些是新的发现。

由应用压电粒子，可以实现V_p的进一步降低。压电粒子是不对称的中心，这样，由施加电场，可立即使晶体变形。变形的晶体生成大量的极化电荷。典型的压电粒子为荧光粒子。根据参考书目A，当构成发光中心的掺杂物占据具有不对称中心的晶体点阵位时，中心对称的电子的禁戒跃迁(forbidden transition)消失(例如，自由离子)，在不对称晶体中禁戒跃迁成为容许跃迁(allowed transition)。与对称晶体中的跃迁相比，容许跃迁的概率极高。荧光体要求极高的电子跃迁，用以生成高亮度发光。阴极线发光(简称CL)的荧光体一般为不对称晶体。阴极线发光荧光体也有对称晶体，但发光亮度暗并不实用。本发明人发现：由绝缘体(7)上的不对称晶体的多层压电粒子，可改善氙气放电的点灯延迟。图10示意性地表现了绝缘体(7)上的五层不对称晶体压电粒子(15)压电粒子，它们对应于嵌入电极(5)(6)的位置。在压电粒子(15)层之间形成荧光幕(16)。利用图10中的配置，施加于电极(5)(6)的V_p可以显着减小到1.5kV的范围。氙气腔室内的氙气放电由电子向Xe¹⁺的移动引发。在来自氙气放电的VUV光的照射下，荧光幕(16)发出PL。然而，在FFL操作中仍然有在黑暗中存储后的点灯延迟(以下称为“黑暗中的点灯延迟”)的问题。黑暗中的点灯延迟会妨碍作为LCD的背光源的FFL进行行扫描。黑暗后(和黑暗中)的点灯延迟所涉及的机制不同于氙气放电的点灯延迟的机制。

本案发明人研究黑暗中和黑暗后的点灯延迟，并发现了该问题的原因。由应用来自电极的电场，氙气腔室内的粒子立即极化，氙气腔室内的氙气立即离子化。不对称晶体压电粒子的表层中的极化电荷分别吸引并累积Xe¹⁺和e^-。累积的Xe¹⁺和e^-与不对称晶体压电粒子的SV中的极化电荷紧密结合。由于如上所述，电荷的约束力很强，因此，在除去电极的电场的后，累积的SBC分别继续停留在彼此间隔某个距离的单独的粒子的表面上。尤其，不对称晶体中的压电粒子具有大量的SBC。图11示意性地展示了不对称晶体压电粒子(15)上的SBE(18)。关于氙气放电，电子必须由SBE中提取；只要SV有空穴，它们就坚固地粘在荧光粒子的表面上。坚固地粘住SBC的构成是FFL没有在黑暗中立即点火的原因。

本案发明人由应用CL荧光体，其为含有掺杂物的不对称晶体压电粒子，来解决黑暗中点灯延迟这个问题。为消除黑暗中的点灯延迟，在电极上的绝缘体(7)上被覆没有掺杂物的不对称晶体压电粒子(15)，该电极被施加负电位以紧密束缚氙气腔室内的Xe¹⁺。在正极上的绝缘体(7)上被覆具有干净表面的CL荧光粒子(17)。CL荧光粒子(17)的一例为可发出蓝白CL的ZnO。图12所示为一种结构，该结构排列了不对称晶体压电粒子(15)层、压电CL荧光粒子(17)层、以及不对称晶体压电粒子(15)与压电CL荧光粒子(17)之间的FFL荧光体的荧光幕(16)。CL荧光粒子(17)中的发光中心即使在压电应力下也可做为电子和空穴的重组中心。本案发明人发现：由发光中心对电子(和/或空穴)的捕捉，可触发许多荧光粒子中的发光。由每一发光中心浓度(c)的平均晶格间距(d)，可求出荧光粒子中的各发光中心之间的平均距离(l)亦即，l＝d/c。平均晶格间距d在许多荧光粒子中是大约3×10^-8cm，FFL的实际CL荧光体中的发光中心浓度是c＞1×10^-3克分子分数(mole fraction)。因此各发光中心之间的平均距离比0.3μm(0.3μm＝3×10^-8cm/1×10^-3)短。SBE留在粒子上方约5μm处，是比0.3μm远得多的距离。所以，发光中心中捕捉到的电子(或空穴)对SV中的电动具有强电场(E_e)，且其大小为：E_e＞E_SBE。因此，发光中心中所捕捉到电子的电场吸引CL荧光粒子中的表层中的空穴，并且，CL荧光粒子(17)的SV中的空穴移动到发光中心，在那里与电子重组，进而释放光子。这样，CL荧光粒子(17)的SV中的空穴由粒子中消失。CL荧光粒子前面的SBE失去了约束在一起的相反电荷，并且，SBE变成氙气腔室内的自由电子。累积的和紧密束缚的Xe¹⁺电荷平稳地吸引氙气腔室内的自由电子。由Xe¹⁺电荷的正电场来加速被吸引的电子，进而在氙气腔室内生成氙气放电。如图12所示，由应用绝缘体(7)上的CL荧光粒子(17)，可以解决黑暗中的点灯延迟这个问题。使用图12所示的Xe¹⁺累积的交流电粒子的结构是FFL操作的最佳结构。如果考虑生产成本，那么，有可能在FFL操作条件可接受的情况下采用其它结构。

这里出现一个问题-各电极之间的放电路径。放电路径具有彩虹的形状以及不规则的放电密度分布。除此以外，放电路径随时间波动而忽隐忽现，并且，内部电路具有很大的电阻，进而指出：在氙气放电路径中有其它东西不受控制。关于可靠的FFL，应该由除去电子移动障碍而在荧光幕产生直线放电路径。公知的FFL荧光幕的荧光体是可以购买到的荧光体。它们是BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺蓝色荧光体、LaPO₄:Ce³⁺:Tb³⁺绿色荧光体、Y₂SiO₅:Tb³⁺绿色荧光体、(Y，Gd)₂O₃:Eu³⁺红色荧光体和Y₂O₃:Eu³⁺红色荧光体。仔细研究那些商用荧光体可发现其表面为绝缘体所污染，尤其是诸如SiO₂、Al₂O₃等故意粘合的微簇绝缘体、以及荧光体生产时的副产品的残余物。荧光幕被放置在氙气腔室内。所以，氙气腔室内的绝缘粒子(即使它是微簇)被来自电极的电场平稳地极化化，并且，SBC立即形成于极化绝缘体的表面上。绝缘体上的SBC电屏蔽荧光幕中的荧光粒子。绝缘体上的SBC的电场阻碍了氙气腔室内的移动电子。不对称晶体压电粒子构成有效的CL荧光粒子。如图13所示，由可在VUV光下发出PL的有效CL荧光体，在绝缘体(7)的整个区域上形成荧光幕(16)-除了无发光中心的不对称晶体压电粒子(15)中所覆盖的Xe¹⁺累积区以外。在CL荧光粒子发光的后，荧光幕(16)中的CL荧光粒子的表面上的SBE变成自由电子的新供应者；这些SBE由施加电极(5)(6)的电场而立即形成。荧光幕前面存在大量的自由电子。不对称晶体压电粒子(15)上累积的Xe¹⁺电荷所产生的正电场可由CL荧光幕(16)前面的各处容易地吸引电子。除了与氙气的冲击碰撞以外，移动电子中没有阻碍材料。这给予内部电路中最小的电阻。因此，荧光幕(16)上的放电路径变直，且放电路径不会闪烁。

此外，V_m很低，实际上最重要的效益是：由放电路径与荧光幕之间的狭窄间隙，并由密度均匀的宽放电路径，来增加来自荧光幕的PL输出。较佳的商用CL荧光体是低电压CL荧光体，其粒子具有干净的表面。举例可为蓝白光的ZnO荧光体、发蓝光的ZnS:Ag:Cl荧光体及发绿光的ZnS:Cu:Al荧光体及无In₂O₃微簇的(Zn，Cd)S:Cu:Al红色荧光体、以及Zn₂SiO₄:Mn荧光体。本案发明人也发现：当荧光幕(16)由以上列出的低电压CL荧光体和商用荧光体(如BAM、LAP等)混和构成时，荧光幕(16)可类似地减小电子流的电阻，即使当荧光体的混合物包含多于10重量％的低压CL荧光体时也是如此。

在广泛研究固态材料微电子学(其结果已在《材料、化学和物理学》《第60卷，第274-281页，1999年》中发表)之后，本案发明人理清了电子表面传导机制的模糊点。如上所述，电子的表面电导与来自传统上加以考虑的材料的二次发射率无关，但表面传导与SBE的可移动性有关，SBE受到存在于荧光粒子的表层中的空穴的控制。众所周知，薄膜晶体管(TFT)是藉由控制SBE的可移动性来操作。SBE的可移动性由如图14A所示的闸极电压V_g来控制。已知SBE具有各向异性的可移动性，水平方向的可移动性高于垂直方向的可移动性。TFT利用各向异性的可移动性。当正V_g施加于闸电极时，硅(Si)芯片表层中的电子被吸引到闸电位以形成SBE，进而产生高电阻。当负V_g施加于闸电极时，电子不被闸电极吸引，电子的可移动性非常高(低电阻)。然后，电子由源极流到漏极。FFL中的绝缘体上的SBE的可移动性与TFT操作相似。绝缘体上的SBE的可移动性由晶体表层中存在的空穴(TFT中的闸极)来加以控制。在绝缘体(19)的情况中，如图14B所示，由于表层上的空穴，SBE停留在绝缘体(19)的前面。如上所述，在图14C中，CL荧光粒子(17)上的SBE是自由载流子，在此情况下，表面体中的空穴因发光中心处的重组而消失。自由电子于荧光幕上的可移动性是各向异性的；在TFT的类比中，累积的Xe¹⁺是漏极，累积的e^-是源极。所以，当以低电压CL荧光体来制作荧光幕，电子可在低电压CL荧光幕上的各处移动，并且，电子可在CL荧光幕表面的前方(在上方约5μm)继续移向累积的Xe¹⁺。图6B中的电阻(13)是由加速电子与氙气的碰撞所造成。由于电子具有各向异性可移动性，维持电压V_m显着降低到几百伏特的范围。低的维持电压V_m可支持小的驱动设备。

本案发明人发现一种先进的技术：当用CL荧光粒子(尤其是具有摩擦发光的CL荧光体)覆盖FFL的底板(2)和顶板(3)上的绝缘体(7)的内表面的整个区域时，可解决高点灯电压V_p、黑暗后和黑暗中的点灯延迟、以及高维持电压V_m所有这些问题。图15所示为绝缘体(7)上的荧光幕(16)。Xe¹⁺电荷的正电场-不管是单极(monopolar)或双极(bipolar)操作-可由CL荧光幕(16)前面的各处吸引电子，进而产生来自荧光幕(16)的PL的高输出。摩擦发光的CL荧光粒子生成高点灯电压，并且，CL荧光粒子中的极化电荷由发光而消失。使用摩擦发光的CL荧光体，可使SBC在放电点灯后立即得到自由。这样可以达到V_m、以及发光条件下的黑暗中即时放电和低V_m。较佳的摩擦发光的CL荧光体是其粒子具有干净表面的ZnS:Ag:Cl、ZnS:Cu:Al、ZnS:Mn、ZnS:Mn:Pb、自激活的ZnO和Zn₂SiO₄:Mn。

本案发明人希望理清各种荧光体的标准和混淆。一些PL荧光体可以解决V_p、V_m和黑暗中的点灯延迟这些问题，但其它PL荧光体即使在有干净表面的情况下也无法解决该问题。请参阅参考书目A，荧光粒子中的发光中心由利用UV光的两种方法来激励：利用入射UV光的直接激励、以及经由在荧光粒子中生成的活动载体之间接激励。FL的PL荧光体发光中心由254nm汞线的入射光直接激励。如果发光中心只由254nm汞线来激励，那么，那些荧光体不能解决V_p、V_m和黑暗中的点灯延迟这些问题。在主晶格于激励辐射下有PL发射的PL荧光体可以解决V_p、V_m和黑暗中的点灯延迟这些问题。在主晶格激励下，价带中的电子移动到导带，进而在价带中留下空穴。导带中的电子和价带中的空穴是活动载体。活动的电子和空穴移向发光中心，然后在重组中心处重组。那些荧光体也是在电子照射下更明亮的荧光体。荧光体的选择标准和确实可用的荧光体是低电压CL荧光体。许多商用荧光体在表面污染的情况下不会发出高亮度的PL，这些表面污染在入射的VUV光到达荧光粒子的前就将其吸收。

FFL主要利用PL现象，其是将Xe放电时产生的VUV光转换成可见光。荧光幕仅仅将VUV光转换成可见光。根据参考书目A，在过去30年间，一直在实践中和理论上对实际荧光体的能量转换效率进行最佳化。就适当地准备荧光幕而言，无法期待来自荧光幕的PL输出增加。但在许多情况中，商用荧光粒子于表面处理时被故意粘附在表面上的杂质严重污染。当用无污染的荧光体来准备荧光幕时，FFL中的PL输出与非常广泛的范围内照射的VUV光强度成线性关系。当照射的VUV强度增加5倍，PL强度也增加5倍。这意味着：只有由增加荧光幕上的VUV强度，才能改善FFL的PL亮度，荧光体的能量转换效率则维持不变。氙气放电中的VUV强度随真空腔室内的高氙气压而增加。在给定的放电状态中，一般在FFL的PL强度的讨论中常忽略自吸收。VUV光是由激励状态的氙气到基态的电子跃迁所生成。如果氙气放电路径与荧光幕之间有距离，那么，该间隙中的氙气会吸收在放电中发出的VUV光，此即自吸收。通常利用高氙气压〔例如，500托(torr)〕来产生FFL。荧光幕上的放电路径构成彩虹的形状：放电路径在中心处离开荧光幕。间隙中有许多未激励的氙气。所以，当放电路径变直并且放电路径与荧光幕之间之间隙变窄时，PL的输出增加。只要荧光幕是由BAM、LAP和YBO₃等商用荧光体构成，而不是CL荧光体，则荧光粒子就当然具有SBE。移动电子受到来自SBE的负电荷的排斥，并且，当电子在荧光幕上遇到Xe⁺时，移动电子便由氙气腔室中消失。由于SBE对电子流动的干扰产生了闪烁的氙气放电、彩虹形状的放电路径、以及在放电中有大的黑暗中心区域及较亮的边缘。当荧光幕由用于VFD应用的CL荧光体(例如，发蓝白光的ZnO荧光体)构成时，直线氙气放电路径在荧光幕上方5μm处形成，电荷的密度均匀，进而在荧光幕上产生大量的VUV光。这导致了来自荧光幕的PL输出的增强。与BAM、LAP和其它荧光体构成的荧光幕比较而言，FFL中的ZnO荧光幕的确发出无闪烁的高PL亮度。在没有In₂O₃微簇粘合的情况下，VFD荧光体中的一些蓝色ZnS:Ag和绿色ZnS:Cu:Al也被用作FFL的荧光幕。

本案发明人将讨论FFL中的荧光幕的结构的最佳化。荧光幕是由排列荧光粒子来产生。实际的荧光粒子具有很大的反射系数。大约60％照射的VUV光在排列于荧光幕顶层处的荧光粒子的表面上反射，并且，剩余的40％穿入屏幕上暴露的荧光粒子，进而生成PL。如果荧光幕在各粒子之间有间隙，那么，反射的VUV光可以进入间隙。VUV光进入这些间隙，进而有机会穿入到敷设在荧光幕的深层内的其它荧光粒子。间隙中的VUV光也由表面处敷设于深层内的其它荧光粒子的表面上被反射。关于FFL，其具有荧光粒子的最佳层数。本案发明人对用于PL生成的最佳层数进行了广泛的研究。图16所示为各种测量结果。如果在暴露方检测到PL强度(即反射模式)，那么，最佳的屏幕层数是平均7层。在屏幕比8层更厚的情况下，PL的输出饱和。当用已由荧光幕的PL来测量PL强度(即穿透模式)时，最佳屏幕由平均3层粒子层构成。如上所述，荧光幕构成所发出的PL的良好反射。荧光幕本身具有良好的反光层。就处于反射模式的荧光幕由最佳屏幕层(7层)构成而言，由荧光幕下面的Al₂O₃体构成的附加反射层(正如美国专利公告第6,034,470号中所揭示的)是不必要的。底板玻璃上的荧光幕的PL检测是反射模式，因此，应该用底板玻璃上的6层粒子来构成荧光幕(16)。由传输模式来执行顶板玻璃上的荧光幕的PL检测，并且，应该用表面顶板玻璃上的3层粒子来构成荧光幕(16)。图17所示为实际FFL中的较佳荧光幕(16)。荧光粒子在可见光谱波长中没有吸收带。由结合真空容器的底板和顶板上的荧光幕的发出的PL，来求出来自FFL的PL输出，并且，观察到的PL亮度与荧光幕的发射区面积成线性关系。因此，来自最佳化荧光幕的PL提供高亮度，荧光粒子很好地散射了检测到的PL光。所以，来自本发明的FFL的光输出等同于白天的散射光。本发明的FFL可以用作LCD的背光源、以及住宅室内和室外活动的照明源。

本案发明人考虑了在不牺牲PL输出的情况下FFL操作的功率消耗。本案发明人发现本发明的FFL的功率消耗显着减少，且起动迅速。视网膜在接受光刺激后可保持30msec的余象识别时间。所以，当FFL电极的狭窄的水平线在30msec内进行彻底的垂直扫描时，总FFL区域进行一行扫描。由一个扫描行的时间平均数，可求出功率消耗。如果扫描行数是300行，那么，一个扫描行的时间被计算为1/(30×300)sec≈1/10,000 sec＝0.1msec，总的FFL的功率消耗只是一个扫描行的功率，因此，功率消耗是帧扫描的1/300。图18示意性地展示了功率节约情况。所发明的FFL允许行扫描。这是FFL作为LCD的背光源的另一大优点。由行扫描，黑色等级变成真黑(如同木炭黑)，进而因为与真黑的高反差比而产生清晰的图像。另一个优点是：LCD上的图像的响应时间实际上由背光源响应时间来确定，这与LC层的响应时间无关。所发明的FFL的响应时间是几msec。这样，在LCD屏幕上提供了清晰的图像，而不会有迅速移动的图像的拖影。此外，亮度高、功率消耗低的FFL的操作是作为照明源的一大优点，并且，本发明有助于人类活动的生活标准的改善。

Claims (10)

1.一种无汞平面荧光灯，其包含：

一底板玻璃上的一驱动电路和形成于氙气体腔室内的一内部电路，其中，该驱动电路及该内部电路在电子流中被隔离，及一荧光幕涂覆于该氙气体腔室的一内壁上。

2.如权利要求1所述的无汞平面荧光灯，其中，该内部电路包含该氙气体腔室内的氙气和发光粒子。

3.如权利要求1所述的无汞平面荧光灯，其中，该内部电路包含由离子化气体的电荷构成的电源，该电荷与极化电荷约束在一起，来自该驱动电路的电场使该极化电荷于该发光粒子的表面体中感应。

4.如权利要求1所述的无汞平面荧光灯，其中，该内部电路还包括一开关，该开关的运作是由该发光粒子的表面释放的电子移动到该发光粒子上累积的正电荷。

5.如权利要求1所述的无汞平面荧光灯，其中，该内部电路还包括一电阻，该电阻的形成是由因与相同极性的电荷的排斥而阻碍移动电子路径、以及由与该气体腔室内的氙气的碰撞。

6.如权利要求1所述的无汞平面荧光灯，其中，该氙气体腔室内的氙气由放电来发出紫外线光。

7.如权利要求1所述的无汞平面荧光灯，其中，发光粒子于该氙气体腔室内构成荧光幕，且在紫外线光的照射下，该荧光幕发出可见光谱波长的光。

8.如权利要求1所述的无汞平面荧光灯，其中，该无汞荧光灯用作液晶显示器的背光源。

9.如权利要求8所述的无汞平面荧光灯，其中，作为背光源的该无汞荧光灯由线性扫描模式进行操作。

10.如权利要求1所述的无汞平面荧光灯，其中，该无汞荧光灯用作照明源。

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