CN101868845B - 荧光放电灯管及液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的荧光放电灯管包括：内部封入有放电物质的玻璃管(9)、密封在该玻璃管两端的一对金属电极(2、3)及涂布在所述玻璃管内面的荧光膜10。所述金属电极由电绝缘体粒子(4)覆盖。所述荧光膜由电子束照射而发光的荧光体粒子与紫外线照射而发光的荧光体粒子的混合物制成。该荧光放电灯管中的金属电极不暴露在放电空间中，因此寿命较长。另外，通过施加高频波，可以在10毫秒以内点亮。

Description

荧光放电灯管及液晶显示装置
技术领域
本发明提供一种荧光放电灯管，其是由电子的非弹性碰撞而使氩气(Ar)与汞(Hg)蒸气的混合气体发光，并经由荧光放电灯管内壁面上涂布的荧光膜而将其中的Hg发出的较强254nm不可见紫外线转换为可见光，更详细而言，本发明提供一种新颖荧光放电灯管及使用其的液晶显示器(Liquid CrystalDisplay，LCD)显示装置，经过改变荧光放电灯管的基本构造，尽管放电灯管的点亮所需的耗电低于现有荧光放电灯管的点亮，但能以现有荧光放电灯管亮度两倍以上的高亮度发光。
背景技术
现有放电灯与本发明的概要
现有荧光放电灯管的放电是由冷阴极电极(Cold Cathode FluorescentLamps，CCFL)或热阴极电极(Hot Cathode Fluorescent Lamps，HCFL)取出放电所需的电子。该电极共同之处在于，自电极取出的电子具有高能量，且采用强行进入气体空间的方式，因此直至电子减少为气体放电所需的能量值为止的期间有复杂的现象介入，从而引起阴极电压大幅降低。该阴极电压降低完全与发光无关，因此全部成为能量损失。上述气体放电所需的能量值为点亮管整体所需能量的大约40％。而本发明中，并非自金属电极取出气体放电所需的电子，而是在气体放电管的两端分别形成电子云与离子云，从自电子云取出的电子在放电管中迁移的过程中引起气体放电，而到达离子云的电子则与离子再结合并形成气体。经由该气体形成，放电管内以电子云与离子云作为驱动源的电路封闭。自电子云取出的电子的能量接近零，上述阴极电压不会降低。其结果为，与相同管径的放电灯相比时，本发明的荧光放电灯管可由40％以下的电力点亮。
本发明通过改变电极构造，消除了在荧光放电灯的管端因阴极电压降低而导致荧光膜发出较弱光。其结果为，本发明的荧光放电灯管中，自放电灯的管端遍及整个表面以均匀强度发光。现有荧光放电灯管中，在阴极电压降低的范围内因发光而产生无用的热，但本发明的荧光放电灯管中并不产生热，管端周边的温度不上升。且，并无暴露在气体中的金属电极，因此本发明的荧光放电灯管的寿命非常长。
现有荧光放电灯管的气体放电中，存在长期未解决的一大问题。即，由于气体放电的点亮相关机制不明确，因此各种改良只不过是仅根据经验而应用于荧光放电灯管的点亮。本发明人首次阐明了气体放电的点亮的相关机制。气体放电的点亮的相关重要因素是由荧光膜上迁移的表面导电电子控制。气体放电的点亮问题，可经由涂布于荧光放电灯管内的荧光体的选择、以及所选择的荧光体粒子的排列而得以解决。其结果为，本发明的荧光放电灯管具有在1毫秒左右瞬时点亮的特征。
荧光放电灯管存在即便增加输入电力，荧光膜的亮度也会饱和的现象，该饱和现象的问题在50余年间一直未获得解决。该饱和现象限制荧光放电灯管的亮度，导致为了获得必要的房间照明度，而必须在房间内排列多个荧光放电灯。本发明也解决此问题。因排列在荧光膜最上层的荧光体粒子具有的负电荷的库仑斥力，使阳极区的电子无法接近荧光膜，阳极区收容在荧光膜的负电荷表面结合电子(Surface-Bound-Electrons，SBE)的鞘内。若自荧光膜除去SBE鞘，则阳极区扩展至荧光膜，荧光膜的光输出与输入电力成正比。可经由亮度的增加而减少房屋照明所使用的荧光放电灯数，省电效果明显，且因减少二氧化碳气体而对环境保护作出重大贡献。
发明的背景
人类的生活因照亮黑暗的光源的开发而快速进步。光源的历史始于营火，后发展为燃烧火炬、植物油、石油、蜡烛、以及煤气等，逐渐实现了照明度的提高。作为近代科学基础的电子的发现使光源的照明度变革的历史得以较大改变。发现电子后，开发出利用电子运动的钨丝灯以及荧光放电灯，并广泛应用于世界中。最近，有同样利用电子行为的发光二极管(light-emittingdiode，LED)、无机电场发光(Electro Luminescence，EL)、以及有机电场发光(Organic Light-Emitting Diode，OLED)的提案，并进行实用评价。利用电子行为的各种光源可以如下方式进行科学评价。
钨丝灯是利用经由电子运动时的电阻所产生的焦耳热而将钨金属加热至高温(3,000℃左右)所得的光。输入电力转换为可见光的能量转换效率较低，为0.8％，但直至金属软化点的高温为止皆可保持转换效率，因此可经由增减输入电力而获得更广范围的光度。因此，当前钨丝灯仍广泛用作房屋内外的照明光源。最多的使用者是普通家庭。钨丝灯是最廉价地制造的光源，且在世界上大多家庭中做为简便的照明光源使用。缺点是寿命短(500小时)。加热后的金属会蒸发，因此随着点亮时间经过，钨丝线会变细，电阻增加而导致断线。
荧光放电灯是经由玻璃管内壁面所涂布的荧光膜，将Hg气体的不可见紫外线发光转换为可见光的光源，能量转换效率约为20％。问题与钨丝灯不同，是在于荧光膜的发光强度相对于输入会饱和，自单一荧光放电灯取出的光量存在极限。饱和亮度的水准较低，因此在需高亮度照明的房间中，排列多个荧光放电灯。相比于钨丝灯，荧光放电灯虽价格高，但能量转换效率较高，产生的热较少，因此用于工业化社会的较大高楼内的事务室的主照明。工业化发达的国家中，作为省电照明光源而普及至普通家庭的房屋中。影响荧光放电灯寿命的原因主要是发射电子的电极的阳离子所导致产生的溅镀。其他原因有荧光膜表面吸附荧光放电管内的有机残留气体，而在紫外线到达荧光膜之前吸附气体层已吸收紫外线。有机残留气体根据荧光放电灯管的制造步骤中的除气步骤的程度，及由于Hg汞齐与Ba集气器的活化初期产生大量有机气体在活化时进行排气的条件而产生很大变化，可减少至能忽略的水准。当前的荧光放电灯的寿命长于钨丝灯的寿命，约为2,000小时左右。
LED是作为近代电子产业技术的一个应用例而开发者。LED由使无机元素的薄膜多层重迭的元件而制成。为了使LED发光，向LED的薄膜层注入电子，并在发光中心(杂质)注入电子与电洞再结合时发光。LED的问题在于：虽有约一半的注入电子有助于发光，但剩余的一半电子无法在发光中心发光，而是转换为热。发光强度虽与注入的电子数成正比，但LED的温度也成比例地变成高温。即便将LED加热至70℃左右，也可忽略发光强度的经时变化。若将LED加热为100℃以上，则薄膜中的发光中心(杂质)因热而自薄膜内向薄膜外扩散，因此随着时间推移，发光中心数不断减少。发光强度随着温度及时间的推移而急遽减弱。实用LED亮度的操作条件下，LED为200℃左右。虽利用眼睛目测到亮度时出现的残像效应，经由脉冲发光而防止温度上升，但并未本质上解决问题。无法从根本上解决发热问题。明亮的LED存在寿命的问题。
EL也是经由无机材料元件的薄膜的积层而制成，动作原理与LED相同，注入电子与电洞在发光中心再结合而进行发光。各薄膜层的厚度远大于LED的厚度，因此为了使EL发光，必须施加高电压。发光强度与输入电压成正比增减。EL的主要问题在于：若期望获得高亮度则薄膜层会产生放电击穿。放电击穿限制了EL的最大亮度。寿命的问题由发光中心的扩散导致亮度劣化。EL的研究开发持续了50余年，其间也多次报道了实用化产品，但均未本质上改善上述问题，产品并未出现在市场便已消失。该重复现象产自亚洲诸国的大企业，但欧美的大企业并未产生。OLED具有与EL相同的问题，明亮的OLED若连续点亮会有寿命问题。以低照明度使用OLED时可减轻问题，因此限定了OLED的使用范围。
如上所述开发提出的照明光源均未解决实用化时的主要问题。当前剩下的照明光源是荧光放电灯。荧光放电灯的开发研究长达50余年，作为荧光放电灯基础的放电的科学研究更长达100年以上。根据该情形普通投资者及企业经营者认为荧光放电灯的技术已开发完毕。本发明从当前为止确立的放电理论的最基础部分开始进行重新研究，并尝试进行验证。其结果得知，认为荧光放电灯的技术已开发完毕的评论并不正确，可以对荧光放电灯的基本构造进行改良。
阐述放电现象之前，先考虑人类必要的光源照明度。即便照亮黑暗，非夜行性的人类的主要活动于500万年之间为白天活动，当前我们的眼睛也适应白天的亮度。然而，眼睛并不适应晴朗白天的景色，而是适应白天微阴的亮度。光是具有波动的光子，光子的能量因波长而异。平均值为具有2.3eV能量的绿色光。白天的景色是取决于微阴的白天的照明度，其照明度相当于单位时间内每单位面积中照射1020个左右的光子。1eV的能量为3.7×10-19W，故上述照明度达到80W/cm2秒的能量。照明光源中发射上述光子数的光源对人眼最舒适。若能量转换效率累计为80W/cm2秒则可计算出所开发的光源的必需输入。作为如此的光源，已有开发出各种光源。其中荧光放电灯被选作最合适的光源，在过去60余年间为大众所接受。然而，每根荧光放电灯管的照明度低于要求的照明度，实用时是通过排列多根荧光放电管来获得最佳照明度的照明。若可提高每根荧光放电灯管的照明度，则可减少照明所使用的荧光放电灯管数，随之也可减少耗电。且，为减少耗电，不使用时使荧光放电灯管频繁闪烁，因此对电极的损伤加快。为解决该类问题人们已付出了大量努力，但满足度远远不足，荧光放电灯管的划时代的改良仍受到期待。
当前使用的荧光放电灯管的构造非常简单。真空密封的玻璃管内包含适量的Ar气体与Hg气体，金属电极内藏于玻璃管的两端，且在玻璃管的内壁涂布有将紫外线转换为可见光的荧光膜。金属电极经由金属棒的传导体而与外部电源连接。放电是通过对金属电极施加正弦波的交流高电位，在真空中自金属电极取出电子，将取出的电子加速，使其与介于放电管两端的电极间的空间中的Ar与Hg气体碰撞，从而引起放电。放电时受到激发的Hg气体所发射的不可见的254nm紫外线(ultraviolet，UV)的产生具有重大作用。所发射的不可见UV光照射至涂布于放电灯管内壁面的荧光膜上。荧光膜将不可见UV光转换为可见光，以此来制作荧光放电灯管。因构造简单，故荧光放电灯管的技术者已进行各零件的最佳化。荧光放电灯管自市售至今已经过60余年，每年的产量也非常大，因此通常认为与荧光放电灯管相关的技术已开发完毕也不是不可理解。然而，上述最佳化是在以已确立的构造为前提的范围内的最佳化，而并未研究荧光放电灯管的基本构造。
根据固体元件及液体中的导电类推出，上述荧光放电灯管的驱动本质上必须向荧光放电灯管内注入电子。在真空中发射电子的材料在近代科学起始的1800年代发现，对工作函数较小的金属进行了探索。T.A.Edison在1884年发现若对金属进行加热，则可向真空中发射热电子。改善热电子发射的重大发现，若用是过氧化物(Ca-，Sr-，Ba-，或Cs-氧化物)覆盖加热至800℃的钨丝，则容易发射出热电子。尤其是Ba-氧化物发射热电子的效果最佳。荧光放电灯管的阴极采用覆盖有Ba-氧化物的钨丝。根据丝的大小而开发出管径为25mm以上的荧光放电灯管，并作为热阴极放电管(HCFL)而普及。1928年，发现金属与真空之间的福勒-诺德汉(Flower-Nordheim)穿隧效应，研究了金属板、金属棒、吊钟型、表面凹凸等金属电极形状。其结果为，采用了吊钟型的金属电极。金属电极可加工成较小者，因此金属电极的管径可小至15mm以下，尤其作为液晶显示器(LCD)的背光源而普遍使用内径为2mm以下的冷阴极荧光放电灯管(CCFL)。
使用上述金属阴极的荧光放电灯管的电极中，HCFL与CCFL均存在金属阴极素材会蒸发的问题。以下对阴极电极的蒸发加以说明。气体中质量较大的阳离子与阴极碰撞。阳离子的碰撞会使金属电极的极小部分瞬时被加热至金属蒸发的高温。所蒸发的金属元素沉积于温度较低的电极周边的玻璃管内壁上涂布的荧光膜上。该现象被称作溅镀。经金属元素溅镀而成的薄膜内，吸附有放电管内的Ar气体与Hg蒸气，荧光放电灯管内的气体量减少程度随着点亮时间经过而加重，从而使荧光放电灯管的寿命缩短。因溅镀现象而导致荧光放电灯管的平均寿命为2,000小时。作为减少金属阴极电极的溅镀现象的方法，根据经验对电极金属材料以及密封气体压力进行了研究，但仍无法从根本上解决问题。
HCFL与CCFL存在多个共同的未解决问题。其中一个较大问题是如下现象：使用金属电极的荧光放电灯管的阴极与阳极前方近处的狭小距离上，施加电压会大幅变化。在施加电压急遽变化的范围内，可观测到8个发光与不发光的条纹。发光条纹以最初的观测者的姓名命名。该等观测者为As tondark、Cathode glow、Crooke′s dark、Negative Glow、Faraday dark、PositiveColumn、Anode Glow以及Anode Dark。虽大致说明了该类条纹，但此说明是限于对观测现象进行说明的范围，而并未阐明产生发光条纹的科学根据。在阴极较显著地产生该类不规则发光。将该阴极周边的施加电压的急遽变化统称为阴极电压降低。因阴极电压降低而损失的能量，达到荧光放电灯管的整体点亮能量的40％左右，消除阴极电压降低虽是开发省电荧光放电灯管中的一个重要课题，但因原因不明，故仍无法解决。上述溅镀现象与阴极电压降低的消除是改良荧光放电灯管的重要研究课题，但即便阅读已出版的专门书刊，该类现象产生的科学根据仍不明确，始终停留在对观测现象的说明。因无法理解产生原因，故为未解决课题。荧光放电灯管的技术在基础方面的开发未完成。本发明人对气体放电时出现的阴极电压降低与溅镀的课题进行科学研究。
本发明人的阐述及思想
图8中图解了现有放电灯管中SBE形成在金属阴极表面的理由。至今为止的与气体放电相关的出版物书籍中未说明的是，从金属阴极发射的电子e、与发射电子后残留在金属中的电洞(电子的孔洞)h发挥着产生气体放电的作用。当前的固态物理所呈现的事实是，若将电子e自金属阴极30取出至真空中，则金属中必定残留有电洞h。由于金属是导电体，因此假定电洞由自电源供给的电子立刻填满。在此一致的思考存在错误。自电源供给至金属电极30的电子，受到金属电阻的阻碍(欧姆定律)，而不会瞬时到达金属电极的电洞。自电源供给电子与自金属阴极30向真空中发射电子之间存在时间差。加以统计处理时，在发射电子e的阴极金属表面，电洞存在量虽因阴极金属材料的电阻值而产生变化，但会稳定存在有数量不容忽视的电洞h。其结果为，位于金属表面层的电洞h与发射至真空中的电子e经由静电力而强烈地相互吸引，真空中的电子再度结合。
位于金属表面层的电洞h的正电场涵盖真空中。发射至真空中的电子e虽受到金属表面层的电洞h的正电场的吸引，但不具有再次进入金属中的能量，从而在略微离开金属表面的位置(约5μm)的真空中与金属电极中的电洞h结合。此即为表面结合电子(SBE)。荧光放电灯管中的金属阴极表面被SBE覆盖。在真空管研究的初期(1900s)已检测出，自真空侧观察SBE时，SBE表现为存在于阴极表面的空间电子云。
根据最近出版的Cathodoluminescence and Photoluminescence；Theories and Practical Applications，CRC Press，Taylor and FrancisGroup，Boca Raton，London，New York，pp30-37与69-76，2007(非专利文献1)，可由阴极射线发光的荧光膜上照射至荧光膜的电子束能量与发光强度的关系的测定，而推测形成于阴极表面的SBE的负电位。SBE的大小为106eV/cm。为了自阴极表面取出电子，必须向电子施加大于SBE的负电位的正电位。以高能量被取出的电子被加速至高速。教科书中所写的放电现象的研究为使具有高能量的电子进入气体空间时的现象，观测结果全部被超过必需的高速电子的行为遮蔽。
在气体空间中，以不相互作用的距离(可忽略原子的波动函数的重迭的距离)填充有中性原子的气体。各气体原子中，填充有包围原子核的多个电子殼的电子的总负电荷、与原子核的阳电荷达到均衡，各气体原子的电性为中性。然而，气体空间中原子的最外殼电子的负电场(5×105eV)持续扩展，故气体空间充满较强的负电场。具有气体空间的负电场(5×105eV)以上的高能量(106eV)并进入气体空间的电子，无法进入由填满电子殼的电子所遮蔽的气体原子中，故重复与气体原子进行多次非弹性碰撞，并将位于最外的电子发射至真空中。气体原子的离子化伴随产生有热，因此多个气体原子随着散热而离子化。是荧光放电灯阴极周边的温度上升的原因。离子化而成的电子与离子的电荷量(1.6×10-19库仑)相同，但质量上存在较大差异。电子的质量为9.1×10-28克，而离子的质量虽随原子种类而略有变化，但均为1.7×10-24克左右，约为电子质量的1,000倍。电子容易因施加至气体的电场而迁移，但离子的迁移稍慢且较少。在此虽未说明详细理由，但电子与离子的迁移距离之差便造成上述阴极近前的发光条纹。
此处必须预先指出的错误是，在研究气体放电的初期，将气体放电定义为来自不可见的气体发射(discharge)光。根据该理由，对气体放电的研究是测定来自放电管的光的强弱，并根据其结果来阐述放电。仅测定光则难以科学地阐明放电。如上所述，气体的放电必须根据进入气体介质中的电子与气体原子的相乘作用而决定的电子行为来分析。若根据该新观点来分析荧光放电灯管的特性，可知至今为止无法解决的问题得以解决。当前的荧光放电灯管的制造技术仍未完成。
荧光放电灯管的特性由气体中的电子行为决定。决定电子行为的另一重要因素，在荧光放电灯管的已知特性研究中被遗漏。即荧光放电管中涂布在内壁面上的荧光膜中的各荧光体粒子的物性。现有技术仅考虑到荧光膜将气体发出的不可见的UV光转换为可见光的作用。根据本发明人的研究，各荧光体粒子的物性并非仅与发光现象相关。各荧光体粒子是结晶化粒子，也是具有非对称结晶构造的结晶，当置于放电管内时，表现出结晶的物性，并对气体放电中的电子行为产生显著影响。实用上的荧光体粒子具有非对称结晶构造的理由如下：占据非对称晶格点的发光中心，允许在对称晶格点的发光中心所不允许的电子迁移，且允许的电子迁移概率异常高。这是市售的荧光体的发光特性异常高的理由。然而，研究固态物理的大多数研究者认为，荧光体粒子并非单晶，而是含有多个晶轴的多晶体，且为含有多个结晶缺陷的结晶粒子。即，判断为固态物理的知识并不适用于含有多个结晶缺陷的结晶。该判断并不正确。根据Chemical Review，Volume103，No.10，pp3835-3855，2003上发表的论文(非专利文献2)，决定发光中心的电子迁移的晶场的大小，是非常狭小的范围(半径为
Figure GPA00001096880800101
)的晶场的完成度，与粒子整体的结晶性无关。这是即便市售的荧光体粒子形状不规则，荧光体粒子也以相同效率发光的理由。荧光体粒子为多晶体，多晶体的粒径的优化由涂布条件决定。
使用外部紫外线光源，在实验室中调查实际存在的荧光体时，市售荧光体中发光效率最高的荧光体，是市售的电子束发光(CL)荧光体。然而，即便在荧光放电灯管的管壁上涂布市售CL荧光体，也无法获得明亮的荧光放电灯管。因此，发亮光的荧光放电灯管的荧光膜用荧光体是根据经验而找出的荧光体。根据经验而得出的结果缺乏理论分析。因此，所选择的大多数荧光体是由UV光直接激发发光中心的荧光体(PL荧光体)。例如即便查阅OHM公司发行的荧光体手册也未发现为何使用PL荧光体的理论解释。
将市售PL荧光体涂布在荧光放电灯管的内壁上的荧光放电灯中，以下问题仍未解决。即便使用自金属阴极取出的高能量的电子，荧光放电灯管内的气体也不会容易地放电。虽对荧光放电灯管的点亮器具进行改善以使其容易地进行气体放电，但仍未开发出瞬时放电的荧光放电灯。计算出的在气体中单向前进的电子的速度非常快，为2×105cm/sec。为何向阴极与阳极之一方向高速前进的电子未能使荧光放电灯瞬时放电的科学分析完全欠缺，从而未获得理论解释。现有技术者与技师仅停留在经验阶段。
还有其他未解决的问题存在。增加放电后的荧光放电灯管的输入时，光输出容易饱和。射入荧光膜粒子层的UV光因荧光体粒子的较高的光折射率(n？2)，首先在排列于荧光膜最上部的荧光体粒子表面反射，而反射UV光也到达排列于荧光膜下部的荧光体粒子。荧光膜上参与发光的有效荧光体粒子数可根据实验而求出。可以计算出有效荧光体粒子数中包含的发光中心数。计算出的发光中心数约为照射在荧光膜上的UV光的光子数的10倍。荧光放电灯管内荧光膜的发光中心的激发数并未饱和。亮度饱和是指到达荧光膜上的UV的光强度。尽管如此，荧光放电灯管的技术者们仍期待以提高荧光体的发光效率(2～3％)来提高荧光膜的亮度。该思考并不正确。必须有应对照射至荧光膜的UV光不饱和的对策，但仍未见定量论述UV光饱和现象的论文。
根据本发明人的研究发现，发现放电管中的电子行为大受排列于荧光膜的最上层的荧光体粒子的电特性影响。控制放电管中的电子行为的另一重要因素，是选择适当的荧光体及适当排列荧光体粒子的荧光膜。为解决该等问题必须用到现有参考文献1中揭示的荧光体的物性知识。
如上所述，荧光放电灯管可自基本构造进行改良。本发明的荧光放电灯管是科学地解决现有无法解决的荧光放电灯管的所有问题者。其结果为，可显著提高荧光放电灯管的亮度，并减少房间的适当照明所必需的荧光放电灯管数。而且荧光放电灯管的点亮时间能够以可增加其位数的水准延长，因此荧光放电灯管的生产单价低于其他任一照明光源。因可简化荧光放电灯管的构造，故制造步骤缩短。综合该类改良，本发明的荧光放电灯可大大有助于省电，且可减少社会强烈要求的CO2气体的排放，对环境保护的贡献影响也大。关于非专利文献3～非专利文献6在下文进行叙述。
非专利文献1：Cathodoluminescence and Photoluminescence；Theoriesand Practical Applications，CRC Press，Taylor and Francis Group，BocaRaton，London，New York，pp 30-37 and 69-76，2007
非专利文献2：Chemical Review Volume 103，No.10，pp 3835-3855，2003
非专利文献3：Cathodoluminescence，Kodansha，1990，p 104-120
非专利文献4：Applied Physics Letters，43，pp 1073-4，1983
非专利文献5：Physical Review Letters，Vol.27，1971，P1345
非专利文献6：Journal Physics D Applied Physics，32，(1999)，pp513-517
发明内容
发明所欲解决的问题
如上所述，现有荧光放电灯管有如下众多问题。第1个问题是阴极周边的急遽的阴极电压降低，其能量损失达到荧光放电灯管的所有点亮能量的40％左右。第2个问题是因上述阴极电压降低，在电极附近产生发光与不发光的条纹状图案而变暗，从而导致整体照明度降低。第3个问题是放电气体的阳离子与阴极碰撞而使金属阴极蒸发，在荧光膜上形成蒸发膜并吸附放电气体，成为导致放电寿命及荧光放电灯管的寿命缩短的原因。第4个问题是每根荧光放电灯管的照明度大大低于要求的照明度，实用时必须排列多个荧光放电管，难以节能，且成本降低存在限制。第5个问题是接通电源后，开始放电直至点亮为止需很长时间，成为快速点亮的阻碍。
因此，本发明的目的在于，从基础上重新研究荧光放电灯管的动作原理，消除阴极电压降低并有助于节能，同时消除电极附近的明暗条纹状图案，从而提高照明度。切，本发明的进一步目的在于，提供一种金属阴极无损耗、显著提高单根荧光放电灯管的照明度、且可快速点亮的荧光放电灯管，又提供一种具有利用着该荧光放电灯管的背光源装置的LCD显示装置(液晶显示装置)。
解决问题的手段
本发明是为解决上述问题研制而成的，本发明的第1形态是一种荧光放电灯管，在荧光放电灯的玻璃管内壁面涂布有荧光膜，该荧光放电灯管的特征在于，上述玻璃管内的放电气体的点亮是经由电子的流动独立的内部电路、与连接电源的外部电路而产生。
本发明的第2形态是一种荧光放电灯管，其中上述内部电路是由分别个别地形成在上述荧光放电灯管内部两端的电子源与离子源构成，上述荧光放电灯管内的气体放电是在上述电子源取出的电子在气体空间中朝向上述离子源迁移的过程中产生，且当迁移的上述电子到达离子源时，上述电子与离子再结合并封闭上述内部电路。
本发明的第3形态是一种荧光放电灯管，其中在上述荧光放电灯管内的其中一端配置层状覆盖有电绝缘体粒子的金属电极，并将该金属电极作为上述电子源形成用电极；在上述荧光放电灯管内的另一端配置层状覆盖有电绝缘体粒子的金属电极，并将该金属电极作为上述离子源形成用电极。
本发明的第4形态是一种荧光放电灯管，向上述电子源形成用电极的上述金属电极施加正极性的电位，使上述金属电极的电绝缘体粒子介电极化，经由电极周边的气体离子化而产生的自由电子受到介电极化后的上述电绝缘体粒子的正电荷的吸引，上述自由电子在上述电绝缘体粒子近前的气体空间中与上述电绝缘体粒子内的正电荷结合而形成空间电子云，将此空间电子云作为上述电子源；向上述离子源形成用电极的上述金属电极施加负极性的电位，使上述金属电极的电绝缘体粒子介电极化，经由电极周边的气体离子化而产生的离子受到介电极化后的上述电绝缘体粒子的负电荷的吸引，上述离子与上述电绝缘体粒子的极化负电荷结合而形成离子群，将此离子群作为上述离子源。
本发明的第5形态是一种荧光放电灯管，将电子自上述电子源取出至荧光膜表面上，经由荧光膜的表面传导而使电子加速，加速电子作为气体放电的始动诱因，经由带负电荷的荧光体粒子而使上述加速电子的轨道弯向气体空间，从而使荧光放电灯管的气体瞬时点亮放电，产生无阴极电压降低的气体放电。
本发明的第6形态是一种荧光放电灯管，在上述荧光膜的表面交替配置不带负电荷的荧光体粒子与带负电荷的荧光体粒子，且在上述荧光膜表面的多个部位，经由上述带负电荷的荧光体粒子而使上述加速电子弯向气体空间侧。
本发明的第7形态是一种荧光放电灯管，其中涂布在上述荧光放电灯管的玻璃管内壁面的上述荧光膜，是由电子束发光荧光体粉与光致发光荧光体粉的混合粉体构成。
本发明的第8形态是一种荧光放电灯管，其中上述光致发光荧光体粉是由单独地发出三色光的三种稀土类光致发光荧光体粉所构成，且上述电子束发光荧光体粉是由低电压电子束发光荧光体粉所构成。
本发明的第9形态是一种荧光放电灯管，其中上述稀土类光致发光荧光体粉内，发出绿色光的荧光体粉由CL发光硅酸锌荧光体粉所取代。
本发明的第10形态是一种荧光放电灯管，其中上述稀土类光致发光荧光体粉内，发出绿色光的荧光体粉由CL发光硅酸锌荧光体粉与PL发光硅酸锌荧光体粉的混合粉体所取代。
本发明的第11形态是一种荧光放电灯管，其中在上述荧光膜，将上述低电压电子束发光荧光体的粒子配置为在上述荧光膜的表面上不连续分布。
本发明的第12形态是一种荧光放电灯管，其中上述荧光膜是由单独发出白色光的光致发光荧光体粉与低电压电子束发光荧光体粉的混合粉体所构成。
本发明的第13形态是一种荧光放电灯管，其中上述荧光膜中，发出白色光的上述光致发光荧光体是由卤磷酸钙荧光体所构成。
本发明的第14形态是一种荧光放电灯管，其中在上述荧光膜追加性地添加有增强发红色光的电子束发光氧化钇荧光体。
本发明的第15形态是一种LCD显示装置，其特征在于，在平面上排列单个或多个第1形态～第14形态中的任一荧光放电灯管来作为LCD显示装置的背光。
本发明的第16形态是一种LCD显示装置，在垂直方向或者水平方向上配置多个上述荧光放电灯管，各荧光放电灯管单独地、或者以多个荧光放电灯管作为群，以线序扫描的方式依序点亮，并将线序的影像映出在LCD显示装置的整个屏幕上。
发明的效果
根据本发明的第1形态可提供一种荧光放电灯管，玻璃管内的放电气体的点亮是由电子的流动独立的内部电路、与连接在电源的外部电路而产生，产生放电的电子的供给源是放电气体自身的离子化，从而不自外部电路供给放电用的电子。因此，整个放电过程中，放电灯管内部的放电气体与外部电路隔断，放电气体自身连续反复地进行离子化与再结合，因此不会消耗放电气体，而实现放电灯管的长寿命化。而且，因不从外部电源供给电子，故并不存在阴极电压降低，从而可减小外部电源的耗电，商用电源无须多言，即便事蓄电池电源，蓄电池的消耗也较小，故可实现放电灯管及其周边电路的长寿命化。换言之，本发明可提供一种划时代的放电灯管，即便在因无商用电源而必须使用蓄电池电源的人口稀少地区、山区等，也可经由蓄电池驱动而使用放电灯管。而且，因不存在上述阴极电压降低，故电极附近的明暗条纹状图案消失，电极附近也整体明亮地发光，从而可提高照明度。
根据本发明的第2形态，上述内部电路是由经由放电气体的离子化而生成的电子源与离子源所构成，该内部电路在电子上与上述外部电路完全隔断，并在电子自上述电子源向上述离子源的迁移过程中产生放电现象。该放电现象是相同迁移电子重复与气体原子进行非弹性碰撞，经由产生的紫外线而使荧光膜持续发光，且上述电子与离子再结合并封闭上述内部电路。本发明提供一种经由上述放电现象的重复而使荧光膜稳定地持续发光的荧光放电灯管。如上所述，电子与气体原子持续的非弹性碰撞以及再结合仅在放电气体内产生，外部电路被完全隔断，因此几乎不存在外部电路的能量损耗。而且，本发明提供一种荧光放电灯管，并不自外部电路向内部电路供给电子，因此并无阴极电压降低，从而可大幅减少外部电源的驱动电流，且可低电流驱动。
根据本发明的第3形态，经由层状覆盖电绝缘体粒子的金属电极而构成上述电子源形成用电极及上述离子源形成用电极，因此可经由电绝缘体粒子层而隔断自金属电极的电子发射及金属蒸发，且上述内部电路与上述外部电路完全分离。由于自上述金属电极的电子发射及金属蒸发被隔断，因此不存在金属电极的消耗，从而电极消耗导致的溅镀现象消失，故可实现荧光放电灯管的长寿命化。且，虽不自金属电极发射电子，但流过外部电路的外部电流仅是涂布在金属电极上的绝缘体粒子的介电极化的诱发电流，因此可实现荧光放电灯管的低电流驱动，其结果为，可实现节能效果。
由所述电绝缘体粒子以状层状覆盖的金属电极可以采用任意形状的金属电极，也可以采用冷阴极荧光放电灯管(CCFL)和热阴极荧光放电灯管(HCFL)中使用的金属电极。具体的形状可以为杯状金属电极、平板状金属电极、棒状金属电极及丝状金属电极等。只要在这些金属电极上以层状覆盖所述电绝缘体粒子并施加电位，便可以使所述电绝缘体粒子介电极化。在采用现有的HCFL时，虽然在丝电极上通电使电流流过并加热，然后放出热电子，但在所述丝电极上没有通电的状态下，只要在丝电极施加电位，便可以转换成为本发明金属电极。在所述丝电极的两端布线不能通电时也可以作为电位施加端子，可以将所述丝电极的一端作为电位施加端子而另一端处于悬空的状态。无论是哪种形态，在不通电的状态下，均可以向丝电极的全体施加相同电位。另外，所述丝电极在发生断线而不通通电的状态下，只要在丝电极的两端布线，就可以保持丝电极的全体等电位。另外，在发生断线的丝电极的一端施加电位而使另一端悬空时，可以所述一端的导通的丝电极部分施加电位，在所述另一端导通的丝电极部分保持电悬空状态。这样一来，只要在发生断线的丝电极上施加电位，便可以再生本发明的金属电极。
所述金属电极由电绝缘体粒子覆盖，能够发挥本发明的电极作用。即，在所述金属电极上施加电位使电绝缘体粒子介电极化，其结果是，可以使通过放电气体的电离而生成的电子源和阳离子源形成在电绝缘体粒子的近傍。电绝缘体粒子可以是一般的电绝缘物质，也可以是荧光放电灯管的玻璃管内面涂除附的荧光体物质。只要是介电极化的物质，便可以用作本发明的电绝缘体粒子。
根据本发明的第4形态，经由外部电源而向上述电子源形成用电极的上述金属电极施加正电位，并经由该正电位而使电绝缘体层介电极化，经由极化电荷的极化电场，来吸引经由放电气体的离子化而生成的电子，从而形成聚集在上述金属电极周边的空间电子云来作为电子源。构成该电子源的电子全部为放电气体的离子化所产生的电子，完全不自外部电路供给电子，因此并无内部电路的电压降低，从而可显著降低外部电路的耗电。同样，向位于放电灯管内部的另一端的上述离子源形成用电极的金属电极施加负电位，经由该负电位而使电绝缘体层介电极化，并经由极化电荷的极化电场，来吸引经由放电气体的离子化而生成的阳离子，从而形成聚集于上述金属电极周边的阳离子群来作为离子源。该离子源经由电绝缘体层而与负金属电极完全绝缘。上述电子源的电子一面进行气体放电一面向该离子源迁移，并经由电子与离子的再结合而变回中性气体。经由该微过程的连续动作，荧光体会经由因放电产生的紫外线而发出可见光，故可实现低电流驱动的节能型放电灯管。由于不自外部电路向内部电路供给电子，因此并无阴极电压降低，故可实现无电极损耗的放电灯管，且可实现放电灯管的使用成本的超低化以及超长寿命化。
若上述绝缘体粒子层至少形成在与电极间形成的放电空间连接的对向面(表面)上，则可阻止金属蒸发，隔断自外部电路的电子供给。为增强该隔断性，上述绝缘体粒子层可形成在金属电极的整个表面(对向面、背面以及侧面)上，也可形成在对向面与侧面、或对向面与背面上。此处，所谓背面是指与外部电路的接合面。
根据本发明的第5形态可实现一种荧光放电灯管，经由荧光膜表面的表面传导将自上述电子源取出的电子加速而将气体放电始动，并经由荧光膜上带负电荷的荧光体粒子而使上述加速电子的轨道弯向气体空间，从而将荧光放电灯管的气体瞬时点亮放电。通过这个，可提供一种并无阴极电压降低，可提高发光强度(照明度)，且可低电流驱动的节能型荧光放电灯管。通常，带负电荷的荧光体粒子中包含光致发光荧光体(PL荧光体)。光致发光荧光体的粒子内部存在的杂质会捕获电子，因该被捕获的电子而形成永久内部极化(persistent internal polarization，PIP)，永久内部极化的电子出现在荧光膜表面而构成上述负电荷，发挥使上述加速电子弯向放电空间的作用。因此，若在期望加速电子弯曲的位置预先配置光致发光荧光体，该位置上的光致发光荧光体的负电荷会发挥对上述加速电子的弯曲作用。可由此选择荧光体而调整上述负电荷的大小，从而使荧光膜上的表面传导电子与放电气体的碰撞加速，而实现放电空间内的快速点亮，消除荧光放电灯管中现有存在的延迟点亮。
根据本发明的第6形态，可提供一种高效率的荧光放电灯管，在上述荧光膜的表面交替配置不带负电荷的荧光体粒子与带负电荷的荧光体粒子，且在上述荧光膜表面的多个部位，经由上述带负电荷的荧光体粒子而使上述加速电子弯向气体空间侧，从而实现快速点亮及整个表面发光。上述不带负电荷的荧光体粒子中通常包含电子束发光荧光体(CL荧光体)。尤其是低电压电子束发光荧光体具有表面污染较少、不带负电荷的性质，因而具有不充电的特性。若使用高电压电子束发光荧光体则会出现表面污染，也存在向负电荷充电的情形。本形态中，不带负电荷的荧光体区域中不产生库仑斥力，因此可使荧光膜上表面传导的电子加速。另一方面，带负电荷的荧光体区域中，加速电子由于库仑斥力而弯向放电空间，从而使放电气体强制放电，放电灯管会快速点亮。而且，本形态中，多个负电荷区域分布于电子的表面传导方向，因此在放电灯管的多个区域产生放电，故放电灯管的整体可明亮地发光。换言之，若使多个上述负电荷性荧光体粒子沿着加速电子的前进方向分布在荧光膜上，则可经由加速电子与负电荷的库仑斥力，而可在多个负电荷位置强制使加速电子弯向放电空间中，并经由加速电子与放电气体在多区域的整个空间碰撞，而在放电空间的整个区域中产生放电，从而可实现能够同时达成快速点亮与整体空间点亮的放电灯管。
根据本发明的第7形态可提供一种荧光放电灯管，其中涂布在上述荧光放电灯管的玻璃管内壁面的上述荧光膜，是由电子束发光荧光体粉与光致发光荧光体粉的混合粉体所构成。如上所述，电子束发光荧光体粉不带负电荷，且光致发光荧光体粉带负电荷，因此若预先混合两种荧光体粉并涂布在放电灯管内，则负电荷区域与中性区域以粉体的直径大小交替配置，且无数个表面传导电子的加速区域与弯曲区域交替配置。因此，可提供一种在放电灯管的整体区域产生放电发光，瞬时实现快速点亮与整个表面点亮，且以低电力实现高照明度的放电灯管。
根据本发明的第8形态可提供一种荧光放电灯管，其中上述光致发光荧光体粉是由单独地发出三色光的三种稀土类光致发光荧光体粉所构成，且上述电子束发光荧光体粉是由低电压电子束发光荧光体粉所构成。若选择红光、绿光、及蓝光作为三色，则合成色为白色，故可提供白色荧光放电灯管。且，三种稀土类光致发光荧光体粉是负电荷荧光体，低电压电子束发光荧光体粉是不带负电荷的荧光体，故可实现快速点亮与整个表面点亮。
根据本发明的第9形态可提供一种荧光放电灯管，其中上述稀土类光致发光荧光体粉内，发出绿色光的光致发光荧光体粉由CL发光硅酸锌荧光体粉取代。当第8形态中的绿光的光致发光荧光体粉由电子束发光(CL发光)的硅酸锌荧光体粉取代时，因不含有作为稀有元素的稀土类，因此材料变得廉价，且发光明亮美丽。
根据本发明的第10形态可提供一种荧光放电灯管，其中上述稀土类光致发光荧光体粉内，发出绿色光的光致发光荧光体粉由CL发光硅酸锌荧光体粉与PL发光硅酸锌荧光体粉的混合粉体取代。因不含有作为稀有元素的稀土类故材料变得廉价，且通过调整CL发光硅酸锌荧光体粉与PL发光硅酸锌荧光体粉的混合比，而可将发光亮度及美国电视系统委员会(NationalTelevision System Committee，NTSC)规定的绿色的清晰度与亮度调整为最佳。
根据本发明的第11形态可提供一种荧光放电灯管，其中上述荧光膜，将上述低电压电子束发光荧光体的粒子配置为在上述荧光膜的表面不连续地分布。如上所述，低电压电子束发光荧光体是不带负电荷的荧光体，所谓将该荧光体不连续地分布配置，是指不带负电荷的区域(也称作无电荷区域)不连续存在，换言之，是形成负电荷区域与无电荷区域交替配置的模式。因此，在负电荷区域弯曲产生点亮，在无电荷区域使表面传导电子加速，由此可确实地实现快速点亮与整个表面点亮。
根据本发明的第12形态可提供一种荧光放电灯管，其中上述荧光膜是由单独发出白色光的光致发光荧光体粉与低电压电子束发光荧光体粉的混合粉体所构成。单独发出白色光的光致发光荧光体粉是负电荷荧光体，而低电压电子束发光荧光体粉是无电荷荧光体，通过混合两种粉体，而可实现快速点亮及整个表面点亮。若不使用对应于光的三原色的三种光致发光荧光体，而是使用单独发出白色光的光致发光荧光体粉，可降低荧光体成本。本发明的荧光放电灯管无亮度饱和现象，荧光膜的亮度不随管径改变。可使家庭照明所使用的管径为25mm以上的荧光放电灯管的亮度提升约30％，而LCD的背光所使用的管径为5mm以下的荧光放电灯管，可获得与使用稀土类荧光体的荧光放电灯管同等或其以上的发光。也可将荧光放电灯用于弯折多次而成的电灯状省电型荧光灯中，可大大降低省电型荧光灯的制造成本，且可获得1万小时以上的长寿命，对需求者的利益作出较大贡献。
根据本发明的第13形态可提供一种荧光放电灯管，其中上述荧光膜中，单独发出白色光的上述光致发光荧光体是由卤磷酸钙荧光体所构成。卤磷酸钙荧光体不使用克拉克值较低的稀有的稀土类元素，因此具有可降低荧光体成本的效果。
根据本发明的第14形态可提供一种荧光放电灯管，其中在第13形态的荧光膜追加性地添加有增强发红色光的电子束发光氧化钇荧光体。卤磷酸钙荧光体单独虽发出白色光，但在加以分色时不包含红色光，因此通过添加电子束发光氧化钇荧光体，而实现分色后由三原色光构成。尤其在用作下述LCD显示装置的背光光源的情形时，必须为三原色光，通过添加本第14形态的红色电子束发光氧化钇荧光体，而可实现三原色光。
根据本发明的第15形态可提供一种LCD显示装置，其特征在于，在平面上排列单个或多个第1形态～第14形态中的任一荧光放电灯管，并用作LCD显示装置的背光。通常，LCD显示装置的背光光源使用冷阴极管(CCFL)，但亮度较低，且寿命有限。本发明的荧光放电灯管的亮度高、且寿命长，最适合用作背光光源。即，本发明的荧光放电灯管可用作液晶显示装置(LCD显示装置)的背光光源，其低耗电、高照明度、廉价、长寿命，因此成为优质且稳定的背光光源。
根据本发明的第16形态可实现一种LCD显示装置，在垂直方向或者水平方向上配置多个上述第15形态的荧光放电灯管，将各荧光放电灯管单独、或者以多个荧光放电灯管为群，以线序扫描的方式依序点亮，并将线序的影像映出至LCD显示装置的整个屏幕。本发明的荧光放电灯管可实现快速点亮及整个表面点亮，即便排列多根荧光放电灯管并进行线序扫描，也可以高于扫描速度的速度快速地瞬时点亮，因此可提供一种适于扫描点亮方式的荧光放电灯管，故可实现高性能的扫描型LCD显示装置。现有LCD显示装置中使用的CCFL的最快点亮速度为秒单位，无法进行线序扫描。
本发明的更详细说明
本发明人为了探索荧光放电管的最佳动作条件，自放电现象的最基础部分研讨至应用为止。气体放电的基本是向放电管内供给使气体放电的电子。在使用当前使用的金属电极的情形时，由于会受到在阴极表面不可避免地形成的SBE(106eV/cm)的影响，故电子具有106eV/cm以上的高能量并自阴极表面被取出。可观察到的放电现象中，存在该高能量电子的影响，而又无法以分析来除去该影响。为调查气体放电的基本，便需要未形成SBE的电极。本发明人利用形成在绝缘体粒子表面的SBE，开发出一种向气体空间(放电空间)供给初速接近零的电子的新颖电子供给源。当使用来自该电子供给源的电子时，可调查出至今为止无法阐明的荧光放电管中的气体放电的详情，从而可阐明未解决的全部事项。在将新阐明的事项最佳化后，可开发出放电特性得到显著改良的荧光放电灯管。
新颖电子供给源以如下方式获得。在金属电极上设置电绝缘体粒子层。在向金属电极施加电位后绝缘体粒子产生介电极化。在绝缘体粒子介电极化后的电荷的极性，虽与金属电极的极性相反，但电荷量Q与施加在电极的电位Vg成正比，比例常数使用绝缘体粒子的介电常数ε而以Q＝εVg表示。若绝缘体粒子的电容(介电电容)为C，则由绝缘体粒子诱发的极化电位Vc以Vc＝Q/C＝εVg/C来表示，由于C为常数，因此为εVg/倍。大多数绝缘体粒子的ε值为3～50，因此极化电荷的电位Vc比金属电极电位Vg高ε倍。利用该较高的极化电荷中出现的电位。
若在气体空间中设置由绝缘体粒子覆盖的金属电极，并向金属电极施加峰值为1～5kV、频率为1～70kHz的高频电场，电极周边的气体原子会在高频电场中离子化，从而在电极周边形成自由电子与自由离子。相比于金属电极电位Vg的电场的吸引，该自由电子与自由离子更受到电位较高的绝缘体粒子的高电位Vc的电场的吸引。自由电子与自由离子虽受到极性不同的介电极化的吸引，但由于不具有进入绝缘体结晶内部的能量，因此分别积聚在极化后的绝缘体粒子表面上的真空中。使用单独地积聚在极化后的绝缘体粒子表面上的电子与离子，使荧光放电管内的气体放电。图1是表示该放电方式的原理的示意图。当向电极2与电极3施加电源电压后，置在电极2与电极3上的绝缘体粒子4会如图所示产生介电极化。气体空间侧的介电极化的极性与电极的极性一致。电极2与电极3的极性会随高频电压而变化，图1中显示其一瞬间的状态。经由离子化而生成的自由电子受到绝缘体粒子中诱发的极化的正极性吸引，并停留在绝缘体粒子4近前的真空中，与绝缘体粒子4的正极性结合。将与该绝缘体粒子4表面结合的电子作为气体放电的新电子源7。离子化的Ar+受到绝缘体粒子的介电极化中诱发的极化的负极性的吸引，并停留在绝缘体粒子4的近前的真空中，与绝缘体粒子4的负极性结合，而形成离子源(积聚离子)8。放电5是由自电子源7取出的电子迁移至积聚离子8而产生。参与放电的电子是由放电管中的气体供给，而不自绝缘体粒子供给电子。参与放电的电子在放电管中与离子结合而回复成气体原子。参与放电的电子与离子不自放电管的外部供给。
此处的疑问在于，积聚在绝缘体粒子表面的电子，可能由于与粒子内成对的介电电荷牢固地结合形成SBE，从而不容易取出。电极周边的电场以高频变化，绝缘体粒子的诱发电荷的极性快速地变化。其结果为，电子供给源7的电子在短时间内悬浮在真空中。绝缘体粒子中介电极化的电荷对悬浮在真空中的电子的束缚力较弱，电子容易在较弱的高频电场中迁移。由于是取出悬浮在绝缘体粒子表面附近的真空中的电子，因此电子的初速度接近零。本发明的电子源仅在存在高频电场时获得，高频波数较小时、以及施加直流电压时不产生上述电子源。
绝缘体粒子诱发的极化电荷量Q随绝缘体的介电常数ε值而变化。本发明人发现：虽可使用普通的绝缘体粒子，但当使用大小相同的绝缘体粒子时，对绝缘体粒子诱发更大的诱发电压有利于气体放电。为获得较大的诱发电压，具有较大的介电常数ε的绝缘体较佳。作为如此的绝缘体粒子，最佳为已实用化的电子束发光荧光体(CL荧光体)粒子。高效率发光的CL荧光体的结晶是晶格点非对称的结晶，发光中心占据非对称的晶格点。占据非对称的晶格点的发光中心可进行占据对称性结晶的晶格点的发光中心所不允许的电子迁移，该电子迁移概率异常大。这是实用荧光体粒子全部为具有非对称性的结晶的理由。具有非对称性的结晶具有压电特性，且具有较大的介电常数ε。根据该理由，荧光体粒子适用于覆盖金属电极的绝缘体粒子。
对绝缘体诱发的电荷量Q与绝缘体的表面积成正比变化。相对绝缘体为薄膜的情形，绝缘体为粒子时表面积更大。平面致密排列成一层的粒子的表面积以πφ2表示。此处φ是粒子直径。根据Cathodoluminescence，Kodansha，1990，p104-120(非专利文献3)的记述，在规定面上排列的粒子的总表面积，与粒径无关，而是由排列的粒子层数决定。附着的最佳粒子总数为3层左右。根据该理由，实际上附着在金属电极表面的绝缘体粒子并非为一个，而是使3层左右的粒子均匀地附着在金属电极的表面。附着在金属电极表面的绝缘体粒子的大小，受到粒子对金属表面的附着力的限制。使用多个粒子。多个粒子的粒径并非为均一直径，而是以对数正常分布分散。分布的粒子以平均值或分布的中位数为代表看待。绝缘体粒子经由凡得瓦耳力附着在金属电极表面。粒子与金属表面的附着虽可采用接着剂，但不使用接着剂可获得较佳结果。经由光学显微镜的测定，附着力较强的粒子的平均值处于1μm～7μm之间。尤佳为2μm～5μm之间。粒径大于7μm的粒子的附着力较弱，易因机械性振动而自金属电极表面脱落。粒径小于1μm的粒子于粉末保存时自空气中经由毛细凝结而吸附水分而凝聚。凝聚粒子块等同于大粒子，因此无法使用。
在荧光放电灯管中使用具备上述条件的新电子源时，放电灯的气体放电具有如下所述的特征。第一特征是电流并不自金属电极流向绝缘体粒子。气体放电所需的电子经由气体的离子化而自气体空间内取得，并与积聚离子再结合而消失。即，放电管内的电子的流动是由放电管内产生、即为封闭的内部电路。该内部电路形成在放电管内。内部电路没有电子自放电管外的电路(外部电路)流入。荧光放电灯管的驱动电路虽形成外部电路，且具有感应电流，但并不直接向内部电路供给电子。若限定电子的流动，则内部电路与外部电源电路独立存在。形成内部电路的电子源的大小，可根据外部电路施加在金属电极上的电位来加以控制。图2示意表示上述内部电路15与外部电路12。
至今为止的荧光放电灯管的放电现象的调查，是测定驱动电路的电特性。同样当将探针连接在本发明的荧光放电灯管的外部电路时，则可检测电信号。此处产生误解。因此必须解释该误解。流过图2的外部电路12的电流，是覆盖金属电极的绝缘体粒子的介电极化与去极化时流动的感应电流，与内部电路15中流动的电流无关。目前，并无检测内部电路的电流的方法。
若无来自外部电路的电子流便可进行气体放电，则可推测气体放电所需的内部电流的大小。假设一个电子激发一个气体原子，并产生一个光子的发光。在该假设下可计算出激发气体原子的最大电子流。可根据通常的填满荧光放电灯管内的气体原子数量求出所要求的最大电流。其数量在荧光放电灯的内容积已知时，可根据Boyle-Charles(波以耳-查尔斯)定律来计算出气体的摩尔数。使用阿伏伽德罗(Avogadro)常数，计算所算出的摩尔数内包含的原子数。将所计算出的气体原子的数量换算为电流，则大多数荧光放电灯中电流约为0.1毫安。实际上，一个电子可重复使用，因此若使用构成本发明的内部电路的电子源，在理想条件下使荧光放电灯管放电，则荧光放电灯管的耗电更小，可开发出省电型荧光放电灯管，但无法直接测定放电灯内的电流。虽由外部电路中流过的电流与电压决定放电灯的电力，但即便如此，相比于通常的荧光放电灯，可大幅减少耗电。气体放电所需的内部电路的电子行为复杂，即便电子数相同，结果也存在较大差异。为实现省电型荧光放电灯管，必须阐明复杂的电子行为，从而最佳化电子行为。
自极化绝缘体粒子表面上的积聚电子中取出的电子的初速度接近零，因此若使用以市售放电灯用荧光体制作的荧光膜便会产生问题。根据AppliedPhysics Letters，43，pp1073-4，1983(非专利文献4)的论文，市售荧光体粒子中必须存在电子与电洞的捕获，荧光体粒子具有永久内部极化(PIP)。PIP电荷的电场向荧光体粒子外扩展。大多情形时，向荧光体粒子外扩展的电场为负电场。向荧光膜照射光时，捕获电子自捕获向传导带上升，其结果为PIP的电场消失。荧光体材料广泛应用于电子照片或干式影印机的感光材料。市售放电灯用荧光体的PIP作为光致感光材料的特性虽较弱，因此并未实用作感光材料，但市售放电灯用荧光体的PIP，对于具有较低的能量往荧光膜接近的电子具有充分的作用。该情形在使用放电灯的实验中难以观测到。根据参考文献3，pp141-149的记载，在电子束照射下的荧光膜的特性调查中，明确定量得知PIP的存在。市售放电灯用荧光体的PIP的负电场的大小，可根据向荧光体膜照射使加速电压变化的电子束的实验来决定。根据测定所决定的荧光膜上的负电位约在110V～150V之间。从涂布有荧光膜的玻璃基板的背侧，向荧光膜施加200V以上的正电场时，PIP的负电荷从荧光膜消失，而出现正电荷。照射电子到达荧光膜并发光。经由施加外部电场而使PIP出现与消失的现象，与电子照片或干式影印机的感光材料相同，可重复多次。
未理解市售荧光体粒子所具有的PIP的存在的荧光放电灯管的开发者们，为除去荧光膜的PIP负电荷而辛劳。已有开发一种瞬时点亮的荧光放电灯，在荧光膜的下侧或表面设置导电膜，或者在放电管的外壁面设置导电膜、或在靠近放电管外壁的部位配置金属板，采用仅在放电初期向该等导体施加正电位的外部电路，点亮时间以秒单位至分单位进行变化。作为以更快时间点亮的方法，虽在电极周边的荧光膜上附着铯Cs原子的薄膜、或向荧光膜照射光等处理的累积，放电开始时间的缩短仍停留在秒单位程度。如上所述放电开始时间的难以缩短，与构成荧光膜的荧光体粒子具有的PIP的作用有关。只要可除去荧光膜的PIP，则荧光放电灯管可于10毫秒以下瞬时真正发光。荧光放电灯的瞬时点亮是困难课题，因此进行更详细的叙述。
将初速度接近零的电子导入荧光放电管中后，因荧光体粒子的PIP产生的负电荷，电子无法靠近荧光膜。甚至也无法进入填充有气体原子的气体空间。在气体空间中填充气体的最外殼电子轨道的电子的负电场(5×105eV)向气体空间扩展，受其负电场阻挡，电子无法入气体空间中，故荧光放电灯管不放电。为使气体放电，必须变更荧光膜的PIP，使各荧光体粒子的表面上不存在负电位。最佳方法是用CL荧光体制作荧光膜，此CL荧光体以150eV以下的低电压电子束进行发光。该种荧光体在荧光体粒子中并不捕获电子，因此不具有PIP。若用低电压CL荧光体制作荧光膜，则自积聚电子源取出的电子容易进入荧光膜面上，并在荧光膜上单向前进，而进行表面传导。电子碰撞荧光膜上略微凹凸的凸起部分而产生荧光体粒子进行CL发光，因此可确认在荧光膜上单向进行表面传导的电子的存在，但该发光的发光强度极低。荧光体技术者与荧光放电灯管的技术者因其发光强度较低而忽视了该低电压CL荧光体。相比于关注发光强度，本发明人更关注为何电子束照射下明亮发光的CL荧光体在荧光放电灯管的荧光膜中发光强度较低。低电压CL荧光体膜的实验，提供了与荧光放电灯管的放电机制的基础相关的非常重要的资讯。事实上，使用本发明的电子供给源、以及低电压发光CL荧光膜时，在10毫秒以下瞬时产生荧光放电灯管的气体放电。过去虽对于荧光放电灯管的瞬时放电作出了各种努力，但此事实使该等努力失去意义，仅选择电子供给源及荧光膜，即可以已知无法想象的速度使荧光放电灯管瞬时点亮。基于该发现，科学地推进了荧光放电灯管中明亮发光的放电机制的阐明。
阴极与阳极电极间存在的电场为单向。若如此思考则电子运动也为单向。可计算出单向运动的电子与气体原子相遇的概率。电子直径为5.6×10-13cm。若将电子与原子相遇的剖面积作为原子直径，则单向运动的电子的体积为6×10-27cm3/cm。常温下1摩尔的气体在1大气压下的体积为22.4×103cm3。计算时以LCD的背光用CCFL(内径为0.25mm，管长为73cm)为例，管的体积为23cm3。封入氩气的压力为0.1大气压(70Torr/760Torr)，因此可计算出管中的Ar气的摩尔数为1×10-3摩尔(＝23/22.4×10-3)。1摩尔气体的阿伏伽德罗常数为6×1023个，因此CCFL管中6×1020个Ar气体原子随机分布着(玻耳兹曼分布)。单向运动的电子的体积为6×10-27cm3/cm，因此单向运动的电子路径中所包含的Ar气体原子数极少，为10-8，可认为电子不与气体原子碰撞。电子速度为2×105cm/sec。上述计算明确地表示以下事实。放电现象的分析中不可认为电子在气体空间中单向前进。该结论是分析气体放电时的重要结论。
在荧光膜上单向进行表面传导的电子与气体原子相遇的概率极低(10-8/73cm)，无法观测放电管的气体放电。为使气体放电，可强制扰乱单向传导的表面导电电子的轨道，使具有适当运动能量的电子的轨道弯向气体空间的方向。轨道受到弯曲的加速电子与气体原子非弹性碰撞的概率较大。市售荧光放电灯用荧光体粒子的PIP电荷，适用于使电子轨道弯曲。若以适当比例混合低电压CL荧光体与荧光放电灯用荧光体粒子而制作荧光膜，则可制作兼有上述荧光膜的表面传导与使轨道弯曲的两个功能的荧光膜。
有证明表面传导电子的轨道随构成荧光膜的荧光体粒子的表面状态改变的事实的方法存在。可使用发出绿色光的含Mn的硅酸锌荧光体(Zn2SiO4:Mn)来证明述事实。Zn2SiO4:Mn荧光体可经由两种方法制造。第一方法是在原料中添加较超过化学反应计量20％的SiO2，而制造荧光体。在制成的Zn2SiO4:Mn荧光体粒子表面上，附着有因过剩添加而未反应的SiO2的微粒子。不论化学方面抑或物理方面均无法除去所附着的SiO2的微粒子。在荧光放电管的内壁面上涂布该荧光体，并向电极施加5kV的高电压后，荧光放电灯会发出明亮的绿色光。SiO2的微粒子不吸收紫外线，带电的SiO2微粒子的负电荷发挥向气体空间排斥电子的作用。然而，因放电的电子无法靠近荧光膜，因此阳极区收纳于SiO2微粒子上形成的SBE鞘中，可取出的荧光膜的发光出现饱和现象。即使以相同荧光体形成阴极射线管(Cathode-Ray Tube，CRT)的荧光膜，并向荧光膜照射150eV的电子束，荧光膜也不发光。其原因在于，附着在荧光体粒子表面的SiO2微粒子带负电，而排斥靠近荧光膜的电子。此次在混合原料时添加过量20％的氧化锌ZnO，并使用该混合原料而制造荧光体。在所制造的荧光体粒子的表面附着有大量未反应的ZnO微粒子。为了以化学方面除去ZnO微粒子而以氨水溶液(NH4OH液)对所制造的荧光体粉进行蚀刻后，可获得除去ZnO微粒子的ZnSiO:Mn荧光体。若用该荧光体制作CRT荧光膜，并向荧光膜照射150eV的电子束，荧光膜会以明亮的绿色的CL发光。在荧光放电灯管的内壁面涂布相同荧光体，并向电极施加高电压。荧光放电灯发出非常暗的绿色光。之后，以重量比7∶3的比例，机械混合过剩添加SiO2而制作的荧光体粉、以及过剩添加ZnO而制作的由NH4OH液蚀刻过的荧光体粉。在荧光放电管的内壁面上涂布该混合荧光体粉，则可获得一种荧光放电灯管，其发出的光较单独过量添加SiO2而制作的荧光膜更明亮(增加30％)。上述实验虽在CL发光时发出亮光，但也可以在荧光放电灯管的荧光膜中发光较暗的荧光体再进行验证。例如，存在表面在化学上、物理上均清洁的Y2O2S:Tb绿色发光的荧光体的情形。该实验事实明确表示在制造发出亮光的荧光放电灯管时必须考虑的重要项目。
内径为25mm以上的荧光放电灯管，长期以来使用资源丰富、廉价且以1种荧光体发出白色光的经锑及锰双重活化的卤磷酸钙荧光体[3Ca3(PO4)2CaFCl:Sb:Mn]。在内径为10mm以下的荧光放电灯中，3Ca3(PO4)2CaFCl:Sb:Mn荧光体的亮度非常低而无法使用，而是使用存在资源枯竭顾虑的卤磷酸钙荧光体的10倍以上价格的混合三色稀土类荧光体的白色发光荧光膜。即便查阅出版书籍也无法找到3Ca3(PO4)2CaFCl:Sb:Mn无法使用于内径较小的荧光放电灯管中的原因。本发明人对其原因进行了调查。3Ca3(PO4)2CaFCl:Sb:Mn荧光体的发光是经由UV直接刺激Sb3+发光中心，Sb3+发出的蓝色光被同一粒子内的Mn2+吸收，从而使黄色的Mn2+发光。经由Sb3+与Mn2+两者的发光，而在一个荧光体粒子中发出白色光。发光过程中并无基体结晶的吸收，因此该荧光体在电子的照射下具有绝缘体结晶的特性。当将绝缘体结晶粒子放置在电管内时，易在粒子表面形成较强的SBE。其结果为，气体放电的阳极区收纳于SBE鞘内。当缩小放电管径后，荧光膜上的SBE的强度不变，因此，仅阳极区的直径变小，气体放电量便饱和。以与所述的Zn2SiO4:Mn荧光体相同的方式，在3Ca3(PO4)2CaFCl:Sb:Mn荧光体粉中，机械混合重量比为30％的以低电压发出白色光的CL ZnO荧光体粉。将混合荧光体粉涂布于内径为10mm的CCFL荧光放电灯管的内壁面上。该CCFL瞬时放电，发出亮度高于内径为25mm以上的现有荧光放电灯管的荧光膜的白色光。上述实验表明荧光放电灯管内的荧光膜明亮发光的具备条件。
对于气体空间中迁移的电子行为进行更详细调查。一般而言，加速电子的非弹性碰撞，会产生气体原子的激发以及离子化。在加速电子具有激发气体原子的适当大小的能量时，仅产生气体原子的激发，从而放射光(放电)。与气体原子进行非弹性碰撞后的电子失去能量，改变轨道停留在气体空间中经由下一高频波而再次加速，并与其他气体原子进行非弹性碰撞。经由该重复，电子在放电管中的阳极区中朝向相对电极前进。1个电子在非弹性碰撞期间前进的距离(平均自由行程)可根据帕申(Paschen)曲线的测定决定(pd)而求出。所求出的平均自由行程，在HCFL中为10μm，而在CCFL中为0.2μm左右。根据对阴极与阳极间施加的电位，计算出单位长度的电场强度，并计算出平均自由行程内的电场强度。具有代表性的CCFL的管长为73cm，施加在电极间的峰值电位为1,200V，因此峰值电压下可算出为0.2×10-3V/0.2μm。该值远未达到经由电子的非弹性碰撞而激发Hg蒸气所需的能量(10.4eV)。通常认为经由阳极区的电位梯度而加速电子，而在此想法中，无法加速因非弹性碰撞而失去能量的电子。从而现有想法并不正确。
如上所述，电子的质量为9×10-28克，离子的质量为2×10-24克。电荷量均没有差别为1.6×10-29库仑。假设较轻的电子易经由高频电场的波而运动，则根据经验求出的最佳高频波的1个波长与根据实验求出的平均自由行程应一致。计算根据经验求出的施加在CCFL的最佳高频波的1个波长的长度(λcal)时，1个波长的长度随施加频率而改变。
(1)λcal＝0.2μm＝0.2×10-4cm(＝1cm/50×103Hz)50kHz
(2)λcal＝0.3μm＝0.3×10-4cm(＝1cm/30×103Hz)30kHz
(3)λcal＝1.0μm＝1.0×10-4cm(＝1cm/10×103Hz)10kHz
(4)λcal＝10μm＝1.0×10-4cm(＝1cm/1×103Hz)1kHz
根据实验求出的平均自由行程在测定的误差范围内与1个波长的长度一致。该一致表示：非弹性碰撞后的最初的电子并未从气体空间消失，而是再次经由高频电场的波(峰值电压为1,500V)从高频电场中获取能量。即，存在于气体空间中的电子并未在放电管内中途消失，而是与高频波共振，在放电管中沿轴方向前进，并重复与气体原子进行非弹性碰撞。荧光放电管中产生的阳极区，是相当于气体原子的激发能量的电子与高频波共振，相同电子重复激发气体原子而产生者。若采用电子与高频共振而在放电管中沿轴方向前进的模式时，阳极区中的电位梯度便为零。当验证过去大量的测定资料时，在1900年代的报告中找到若干个如此资料。就认为阳极区中存在电位梯度，电子经由电位梯度而加速的最近的测定资料的可靠性而言，在测定技术方面存在问题，有待对测定方法加以确认。又因为在阴极与阳极所检测出的电子数相同，故难以接受因加速电子与气体原子的碰撞而使电子数激增的说明。在对构成荧光膜的各荧光体粒子的带电状况进行最佳化时，高频电场的波峰值电位大幅减少。电子与高频波共振是巨观观察电子运动时所观察到的现象，而微观观察电子行为时，一个波长内的电子行为大幅受到构成荧光膜的荧光体粒子的表面荷电状态的影响。
当前的高频波条件(50kHz)下平均自由行程为0.2μm。另一方面，荧光体粒子的平均粒径为4μm，因此可计算出与高频波共振的电子在通过一个荧光体表面的期间，到达同一荧光体表面多达20次。一部分电子被高速加速而进入荧光膜的CL荧光体粒子中，但根据参考文献1的记载，无法在CL荧光体表面形成SBE，而是转变为表面传导电子。电子经由重复上述运动而在放电管中沿管轴方向前进，并到达位于放电灯管另一端的积聚离子，与离子再结合而回复成气体原子。高效的荧光放电灯管的荧光膜必须允许电子的表面传导，同时也须具有使进行表面传导的电子轨道弯向气体空间的功能。上述荧光膜的较大特征是荧光膜即便在暗处也能瞬时点亮。进而，由于并不产生电子进入荧光体粒子时产生的SBE，因此也无SBE鞘，从而增加荧光膜的亮度。本发明消除了现有荧光膜使用中无法解决的较大障碍。可解决以上的揭示中与电子供给源及荧光膜、气体放电相关的所有问题。
本发明提供一种高亮度且省电型荧光放电灯管，其使荧光放电灯管的气体原子最大限度地放电，同时使FL的驱动电力降为最小值。本发明的荧光放电灯的另一特征在于，极度延长荧光灯的使用寿命，人一辈子购买一个荧光放电灯管即可。如此每个荧光放电灯管制造的终身使用电力极大降低。本发明也提供一种对于近年来成为问题的环境保护课题作出较大贡献的荧光放电灯。
附图说明
图1为本发明所述荧光放电灯管内形成的内部电路的原理的说明图；
图2为关于本发明所述荧光放电灯管的点亮，且电流的流动独立的内部电路与外部驱动电路的说明图；
图3为关于本发明所述荧光放电灯管的点亮的外部驱动电路中流过的电子流、与形成关于荧光放电灯管的放电的内部电路的电子流的说明图；
图4为本发明所述荧光放电灯管内设置的由绝缘体粒子覆盖的金属电极中，金属电极的形状使用杯状金属电极与平板状金属板的例示图；
图5为本发明所述荧光放电灯管内设置的由绝缘体粒子覆盖的金属电极中，金属电极的形状使用金属棒和金属丝的例示图；
图6为说明本发明中导入至荧光膜表面的电子行为随荧光膜的荷电状态而改变的情形的示意图；
图7为表示本发明中经由低电压电子束发光荧光体粉与光致发光荧光体粉的混合粉而制作的最佳荧光膜的状态的示意图；
图8为现有荧光放电灯管内部设置的金属阴极的表面上必然形成表面结合电子(SBE)的现象的说明图。
符号说明：
1荧光放电灯管(或者玻璃管)   25无PIP的荧光膜
2金属电极                   (CL荧光体膜)
3金属电极                   26PIP
4绝缘体粒子                 (PIP负电荷或者PIP鞘)
5气体放电                   28丝电极
6外部电源(高频波电源)       28a丝电极的断线部
7电子源(电子供给源)         28c丝电极的一端
8离子源(正离子源)           28d丝电极的另一端
9荧光放电灯管(或者玻璃管)   30金属阴极
10荧光膜(或者荧光体膜)      CCFL冷阴极荧光放电灯管
11阳极区                    CL电子束发光
12外部电路                  (Cathode Luminescence)
13电容器                    e电子(发射电子)
14感应电流                  EL无机电场发光
15内部电路                  FL荧光放电灯
16电子源(电子供给源)        h电洞
17离子源                    HCFL热阴极电极
(正离子源或者积聚正离子)    LED发光二极管
18引导电极                  LCD液晶显示器
19吊钟型电极                OLED有机电场发光显示器
20小玻璃管                  PIP永久内部极化
21平板状金属电极            PL光致发光
22棒状金属电极              (Photo Luminescence)
23玻璃介质                  SBE表面结合电子
24具有PIP的荧光膜           (surface-bound-electrons)
(市售PL荧光体膜)            UV紫外线
具体实施方式
使用图式详细说明本发明的内容。说明中所谓荧光放电灯(FL)的点亮是指如下步骤：向连接于驱动电路的金属电极施加电压，使放电灯管内的气体放电，并经由涂布于放电灯管玻璃内壁面的荧光膜，将经由气体的激发而发光的不可见紫外线转换为可见光。本发明所述荧光放电灯管是向金属电极施加电压而点亮荧光放电灯管，但放电所须的电子并非如现有荧光放电灯管般自连接在电源电路的金属电极直接注入放电管内。自将高频点亮的放电灯管内部经由离子化而形成的电子积聚在绝缘体粒子表面而新产生的电子源中取出电子至气体空间，使该电子参与气体放电后，与聚集在放电管另一端的离子再结合，内部电路封闭。即，荧光放电灯管的点亮并不自放电灯外部将电子注入放电灯管内，而是在放电灯管内部供给电子，且放电灯管内供给的电子全部被消耗。进入气体空间的电子并不消失，同一电子重复多次与气体原子进行非弹性碰撞，并在放电灯管内沿轴方向前进。气体放电所需的电子数小于放电灯管所含的气体原子数。计算出的每个放电灯管的内部电流量为0.1～1mA，但并无直接测定内部电流的方法，因此无法确认。荧光放电灯管的耗电是经由测定外部电路中流过的电流与电压而决定。本发明的荧光放电灯管的耗电虽也是经由测定外部电路的电流与电压而决定，但并非与放电灯内部的耗电成一一对应。流过外部电路的电流是覆盖金属电极的绝缘体粒子的极化及极化解离所需的介电电流，与覆盖金属电极的绝缘体粒子数成正比例增减。若将金属电极的面积最小化，绝缘体粒子数也减少，外部电路的感应电流也最小化，表面上荧光放电灯的耗电减少。本发明的荧光放电灯管是将该表面上的耗电减少为现有荧光放电灯的耗电的数分之一。进而，由于本发明的电子供给源在使用中完全无暴露于放电气体中的金属，因此并无因阳离子引起的金属溅渡，从而完全不存在因溅渡导致的电子供给源减少。在荧光放电灯管内不存在有机残留气体时，放电管内亮度减少的原因也随之消失。其结果为，荧光放电灯管的点亮寿命延长至现有荧光放电灯管所无法想象到的惊人长度。点亮寿命可初始亮度保持100,000小时以上。
本发明的荧光放电灯管内的电子运动与固体及液体中的电子运动不同。原子有规律地排列的固体中的导电受到晶格振动(电阻)的限制。原子无秩序地排列的液体中的导电与离子或电子浓度成比例。荧光放电灯内的放电虽由电子担当，但该电子行为与固体及液体的情形不同，受到荧光膜的荷电分布极大影响，并在该影响下决定行为，因此欧姆定律并不通用于放电灯管内的电子行为。荧光放电灯管内的荧光膜上存有(a)激发气体原子发出的紫外线光子、(b)与气体非弹性碰撞而散射的电子、以及(c)散射电子与高频电场共振而从高频电场获得的高能量电子。紫外线光子并无电荷因此不受到荧光膜上的电荷的作用。现有放电中未注意到的方面是，带负电荷并迁移的电子受到荧光膜中的各荧光体粒子的电荷的显著影响而改变电子轨道的方向。各荧光体粒子所带的负电荷中，存在因荧光体粒子的内部极化而形成的固有电荷(PIP)及荧光体粒子表面上形成的表面结合电子(SBE)。SBE在荧光体粒子表面附着微量绝缘体时便不可避免地会出现在微量绝缘体上。因SBE的负电场，荧光体粒子被遮蔽。因荧光膜上的该类负电场的库仑斥力而使电子远离荧光膜，其结果为气体放电路径收纳于SBE负电荷的鞘内，与荧光膜隔开由SBE电荷量决定的距离而存在气体放电路径(阳极区)。阳极区与荧光膜的间隙中存在非激发Hg气体，有效吸收从气体放电路径发射的254nm紫外线的结果，到达荧光膜的254nm紫外线量饱和。即，SBE鞘的存在导致现有荧光放电灯管的亮度饱和现象，限制了亮度的最大值。本发明发现以适当的比例混合除去SBE的荧光体粒子与保持SBE的荧光体粒子，且用该混合体制成荧光膜，则可从荧光膜中获得高亮度，从而提供一种高亮度、长寿命、且耗电显著降低的新颖构造的荧光放电灯。
图1是图解本发明的FL的放电机构的原理的说明图。将与放电灯的驱动电路直接连接的金属电极2以及金属电极3置入气体放电灯管1内，并从位于放电灯外部的电源6向金属电极施加交流高频电场。为便于说明，图1中各金属电极2与金属电极3上分别放置一个绝缘体粒子4。向金属电极2与金属电极3施加电压后，绝缘体粒子4在图1所示的极化方向上瞬时极化。通常绝缘体粒子的介电常数ε较大，因此在绝缘体粒子4诱发的极化电荷的电位比金属电极2与金属电极3的电位高ε倍。在绝缘体粒子4诱发的极化电荷内，气体空间侧的电荷将电场扩展至气体空间中。当绝缘体粒子4与金属电极2以及金属电极3置于ac高频电场中时，金属电极周边的气体经由ac高频电场而瞬时离子化，电子e-与离子Ar+分开至不产生相互作用的距离。即，成为自由电子与自由离子。自由电子与自由离子在气体空间中分别向作为相对电极的介电体极化靠近。靠近的自由电子(与自由离子)不具有进入绝缘体粒子内的能量，自由电子经由界面而与绝缘体内的正电荷结合。经由该重复，随着时间推移结合电子在绝缘体粒子表面积聚，在绝缘体粒子4的表面形成电子供给源7。同样，在绝缘体粒子4的表面形成由Ar+形成的离子源8。荧光放电灯管内的气体发光是在从电子源7取出的电子迁移至Ar+的正离子8的期间产生。如上所述，放电所需的全部电子从放电灯管内供给，并在灯管内消耗，气体放电5所需的电子完全不从放电灯管外供给。这是本发明的电子源7的形成与放电5的特征。
图2表示本发明的荧光放电灯点亮时存在的两个等效电路，图示实质上驱动放电灯的外部电路12以及在放电灯管内部担当放电的内部电路15。图2(A)所示的外部电路12是由两个电容13与电源6所构成。电容器13为实质上覆盖金属电极2与金属电极3的绝缘体粒子4。外部电路12中经由ac高频而进行驱动时，流过进行绝缘体粒子4的极化以及极化离解(与电容器等价)的感应电流14。进而在电子在放电灯内部运动后，在外部电路12会有由该放电管内部的电子流形成的感应电流14流过，但其大小较小。向外部电路12施加dc电压时，外部电路12中电流并不流动，放电灯管不放电。图2(B)所示的内部电路15由电子供给源16、积聚的正离子源17、以及在放电管内放电的阳极区11所构成。放电是由电子供给源16与积聚正离子源17之间的电子移动产生。根据图式可确知，在荧光放电灯的内部电路15与外部电路12之间并无直接的电子流动。
图3是表示使用本发明的电子源7操作荧光放电灯9的简略图。荧光放电灯的容器是由真空密封的玻璃管9制成。在玻璃管9内，内藏有由多个由绝缘体粒子4覆盖的金属电极2与金属电极3，且在玻璃管9的内壁面，由荧光体粒子(大小为4μm左右)的适当厚度涂布有荧光膜10。气体放电的阳极区11无法接近荧光膜10，其与荧光膜稍隔开些距离而配置于玻璃管9的中央。由于在阳极区11发光的UV光不带电荷，因此不受荧光膜内的荧光体粒子的电荷的影响而到达荧光膜10，在荧光膜10被转换为可见光。在阳极区11与荧光膜10之间存在非激发的汞蒸气。该非激发的汞蒸气在阳极区11中发光的UV光到达荧光膜之前吸收(自行吸收)UV光，因此发光出现饱和现象。详细情形在下述荧光膜处叙述。
本发明由补充的两个部分构成。第一是荧光放电灯内成为电子的供给源的金属电极上的绝缘体粒子表面形成的电子源16与积聚正离子17。第二是在放电灯管内迁移并使气体产生发光的电子的行为，受到构成荧光膜的各荧光体粒子的电荷的作用，因此进行找出施加影响的荧光体粒子的电荷的最佳条件的作业。
本发明的荧光放电灯不使用热阴极作为电子供给源。本发明的新颖电子源用绝缘体粒子遮蔽冷阴极(CCFL)的金属电极，并使用绝缘体粒子上积聚的电子作为供给源。基材为CCFL的金属电极。图4表示根据CCFL考虑的冷阴极电极中，经由绝缘体粒子4覆盖通常使用的金属电极表面的电极构造。最常用的金属电极是图4(A)所示的吊钟型电极19。虽可使用该吊钟型电极19，但吊钟型电极19的表面积较大，覆盖表面的绝缘体粒子数较多，绝缘体粒子的充放电会导致外部电路中流过较大的感应电流，因此不利于实用。为使绝缘体粒子的充放电而流动在外部电路的感应电流最小化，可使金属电极的形状为平板状。图4(B)中是使用平板状金属电极21，已使绝缘体粒4附着于平板状金属电极21的放电气体面上。该电极构造中存在于绝缘体表面的电子的取出表现出显著的异向性。上述吊钟型电极19及平板状金属电极21上连接有用于施加外部电压的引导电极18。根据Physical Review Letters，Vol.27，1971，P1345的论文(非专利文献5)，电子在沿着绝缘体界面的平行方向上迁移时移动性较高，若在与表面垂直的方向取出电子则移动性较差。现有荧光放电灯中是在与阴极面成直角的方向取出电子，因此就取出的电子引起的放电而言存在问题。为使荧光放电灯瞬时放电，按照如下顺序可以10毫秒以下的速度使荧光放电灯管点亮，即不使电子直接进入气体空间，先自电子供给源取出电子至荧光膜上取出，使该电子加速后使其朝向气体空间散射。金属电极21非常适于按照该顺序取出电子。而且，自平板状金属电极21取出的电子，是取出距离荧光放电灯管的管端1mm～3mm之间的电子，因此若使荧光膜涂布至距离管端1mm左右，荧光放电灯管的全长便会均匀发光。现有CCFL中，因金属电极的大小，存在距离管端10mm以上便会变暗的缺陷，而在HCFL中因热阴极的大小，在更长的2～3cm之间存在变暗缺陷。该问题在采用本发明的图4(B)的平板状金属电极21时解决。
人眼无法感知房屋照明所使用的荧光放电管的1秒左右的点亮速度的差异，因此即便房屋照明中使用发明的荧光放电灯管，人眼也无法感知点亮速度的差。但将本发明的荧光放电灯管使用在LCD等显示装置的光源(背光)时，可实现10毫秒以下的速度的点亮，可实现背光的线扫描明灭。其结果为，减少屏幕上呈现的画质对LCD的特性的依赖，人眼可明确辨认画质提高。其结果为，并无画像的颤动或畸变，以碳的黑为基准时，经由与作为微阴白天的光照明度的350cd/m2的照明度之间的对比度而形成的接近自然的清晰影像。长时间观看当前的LCD屏幕上的影像时，在黑水准有亮度，从该水准采用高对比值故上限亮度较高，成为与白天太阳直射的日光的影像等效的影像。进而，根据LCD的特性，长时间观看无法明确辨认的不清晰影像，会造成人眼永久性损伤。其结果为，每年必须更换眼镜。该问题在使用本发明的CCFL的LCD可得以解决。不仅个人眼睛的永久损伤。LCD的耗电也大幅度减少。LCD的透光率为8％左右，CCFL的点亮速度为1秒左右，因此无法进行线扫描，整个表面均匀地发光。若以线扫描使背光发光，耗电与扫描线的数量成反比，以一次函数减少。若扫描线数为10条，则背光的耗电减少为十分之一。若扫描线数为20条，则电力消耗成为二十分之一。背光的耗电减少直接导致LCD显示装置的省电。
平板状金属电极21有利于缩小CCFL的放电管玻璃径。若放电管玻璃内径小于1.51nm，则如图4(B)所示，仅在单面涂布绝缘体粒子无法取出足量的电子。在该情形时，如图4(C)所示，在平板状金属电极21的两个表面涂布绝缘体粒子即可。若使用图4(C)的电极，便可制造内径为1mm以上且亮度高的CCFL。再者，图4(A)～图4(C)中，小玻璃管20是将玻璃管9的内部抽成真空后注入Ar气体及Hg气体的微小玻璃管，且最后对上述小玻璃管20进行熔接而密封玻璃管9。由于金属的电阻与绝缘体粒子的极化无关，因此平板状金属电极21的材质并无特别要求，但使用硬度高的材料时作业性较佳。平板状金属电极21的电极厚度随所使用的金属材料而改变。以保持绝缘体粒子、以及制造时容易进行电极设定作业为选择基准，可使用各种金属材料。必须考虑的方面在于，因金属表面的腐蚀而导致吸附有机气体及无机气体。若存在气体吸附，则荧光放电灯的寿命、尤其是荧光膜的发光将会因该类气体吸附而变弱，因此必须加以注意。在使用Ni-Cr合金的情形时，最佳的厚度处于0.2mm～1mm之间。平板状金属电极21的直径随所使用的荧光放电管的管径而改变，但在内管径为15mm以上的荧光放电管中，可使用直径为10mm的平板状金属电极21，因此上述平板状金属电极21的最大直径为10mm。在荧光放电管的内管径处于5mm～15mm之间的情形时，金属电极的直径较内径小2mm即可。在荧光放电管的内管径处于2mm～5mm的情形时，金属电极的大小较内径小1mm即可。在荧光放电管的内管径为2mm以下的情形时，金属电极的大小较内径小0.5mm即可。
在荧光放电管的内管为2mm以下的情形时，考虑到平板状金属电极21的作业性，也可采用棒状金属电极。图5(A)表示在棒状金属电极22的表面涂布有绝缘体粒子的示例。棒状金属电极22仅经由熔接器在玻璃密封的迪梅特(Dimet)线的前端熔融接着坚固的金属棒，并在金属棒上附着绝缘体粒子即可，因此较细的CCFL的作业性优良。所使用的金属棒的粗度为0.5mm～1mm，粗度并无限定。长度处于0.5mm～5mm之间即可。当然，大于或小于此处所示的数字的金属棒也可作为电极。
虽可使金属表面为粗糙面，以使绝缘体粒子易附着于金属电极的表面，但较佳为不经由化学蚀刻制作粗糙面。经化学蚀刻后的面对于绝缘体粒子而言是平滑面，绝缘体粒子难以附着。为使金属表面成为粗糙面，较佳为使用粉末粒径略小于绝缘体粒径、且粒径平均值为1～3μm的粉末研磨剂。
图5(B)中显示了在棒状金属电极22的表面覆盖形成非晶质粉玻璃23，并在该非晶质粉玻璃23的表面上涂布绝缘体粒子的举例。在该举例中为使绝缘体粒子更牢固地附着于金属表面，首先在金属表面附着非晶质粉玻璃23，加热至熔融点以上的温度后涂布绝缘体粒子，并再次进行加热，将粉玻璃23熔融后冷却至室温，绝缘体粒子经由熔融粉玻璃23而牢固地接着。然而，若不使用粉玻璃制作则性能较佳。
图5(C)中显示了在作为金属电极的丝电极28的表面涂附绝缘体粒子4的举例。在采用现有的HCFL时，虽然在丝电极上通电使电流流过并加热，然后放出热电子，但在该丝电极28的两端28c和28d布线，与引导电极18连接不能通电，只要在引导电极18上施加电位，便可以转换为本发明的金属电极。在HCFL中使用的丝电极上涂附如BaO的绝缘体粒子4，由于在丝电极28上施加电位后并不通电，因此不会放出热电子，也无法发挥作为HCFL的功能。便是，在通过引导电极18布线的丝电极28上施加电位时，便可以对绝缘体粒子4产生介电极化。通过这种介电极化，可以形成来自地绝缘体粒子4近傍放电气体的电子源和阳离子源。
图5(E)中显示了在发生断线的丝电极28的表面上涂附绝缘体粒子4的举例。在HCFL中，从断线部28a开始丝电极28发生断线时，由于不能通电从而使热电子的放出消失，不发光的荧光放电灯管成为废品而被废弃。但是，在在这种断线的丝电极28两端28c和28d布线并与引导电极18连接时，通过在引导电极18上施加电位，可以对丝电极28的全体施加相同电位。在丝电极上涂附绝缘体粒子4时，通过施加电位可以对绝缘体粒子4产生介电极化。通过该介电极化，，可以形成来自地绝缘体粒子4近傍放电气体的电子源和阳离子源。因此，只要在发生断线的丝电极上布线，就可以利用本发明的金属电极，再生现有被废弃的荧光放电灯管，通过本发明可以达到再生效果及节能效果。
图5(E)中显示了在丝电极28的一端28c连接引导电极18而另一端28d悬空的举例。由于使另一端28d电气悬空，因此所述丝电极28不能通电；另外，由于将一端28c连接引导电极18，因此只要在引导电极18上施加电位，便可以将丝电极28的全体转换为本发明的金属电极。其作用效果与图5(C)相同，因此省略了详细说明。
图5(F)中显示将发生断线的丝电极28的一端28c连接引导电极18而另一端28d电气悬空的举例。在丝电极28与所述引导电极18电气导通的部分施加电位，在所述丝电极部分涂附的绝缘体粒子4进行介电极化，在绝缘体粒子4近傍形成电子源或阳离子源。另一方面，丝电极电气悬空的部分不产生介电极化，也不会形成电子源或阳离子源。其作用效果与图5(D)大致相同，因此省略了详细说明。
金属电极上涂布的绝缘体材料4若为介电常数ε处于3～50的绝缘体，则均可用作绝缘体粒子。若使用介电常数ε为50以上的绝缘体，则外部电路的ac电压的上升与下降变慢，放电灯的点亮速度变慢。同时电力也增加，因此欠佳。一般而言，无机绝缘材料的蒸发温度非常高时也稳定，因此对荧光放电灯管的寿命并无影响。进而，荧光放电管中的正离子并不直接碰撞绝缘体粒子，如图1所明示，也不与负电位的金属阴极碰撞。因此，本发明的荧光放电灯管中并不存在因阴极影响荧光放电灯管寿命的因素。此处，针对荧光放电灯管的寿命进而略做叙述整理。荧光放电灯管中决定寿命的另一因素是荧光膜亮度的经时劣化。出版书籍中明确说明荧光膜的亮度的经时劣化，是因荧光体的发光中心的破坏而引起的劣化，但该说明有误。占据结晶的晶格点的发光中心非常稳定。然而，荧光体粒子的界面附近不稳定，制造时会产生大量的晶格缺陷。尤其是离子半径较大的阴离子在结晶界面处其存在不稳定，自晶格脱离而在原子层自表面至往下5层左右之间形成阴离子缺陷。若制造荧光体时在还原性气体环境中高温加热，则氧缺陷数强制性地增加。具有该类阴离子缺陷的荧光体粒子吸附制造的荧光放电管中的残留气体。吸附在荧光体粒子表面的有机气体会吸收照射至荧光膜的254nm紫外线，因此到达荧光体粒子的紫外线强度相应地减弱。此情形将导致荧光膜亮度随着吸附气体量的增加而减小。并无自化合物结晶的表面完全除去阴离子缺陷的方法。荧光膜劣化的主要原因是有机残留气体。残留气体可在制造荧光放电灯时的除气步骤中除去至可忽视的程度。即，若改良荧光放电灯管的制程则可忽视残留气体的影响。将有机残留气体除去至可忽视程度的本发明的荧光放电灯管由于可忽视与寿命有关的全部因素，因此可保持初始亮度100,000小时以上。
返回绝缘材料的话题。所使用的绝缘体粒子中必须使各粒子为独立的粒子。重要的是不含有凝聚粒子。若粉体材料中含有0.5μm以下的粒子，则保存粉体时较小粒子的接触面因毛细凝结而吸附空气中的水，吸附的水与绝缘体粒子表面之间产生电化学反应，导致粒子产生凝聚。因此，较理想的是所使用的绝缘体粉中不含0.5μm以下的粒子。绝缘体粒子的平均粒径只要在显微镜下决定大小的方法为1μm～10μm之间即可。尤其，若使用平均粒径处于1μm～7μm之间的绝缘体粒子可获得良好结果。
绝缘体粒子材料若为化学手册中揭示的无机氧化物则均可使用。作为该等中较理想的氧化物，有MgO、SiO2、Al2O3、CaO、SrO、BaO、Y2O3、La2O3、CaAlO3、铝酸盐与硅酸盐、及其错合物等。除了该等氧化物之外，还有荧光体的基体结晶。荧光体的基体结晶具有非对称晶格点，且具有较高的介电常数，故而有利。可作为绝缘体素材使用的荧光体粒子，为Y2O3、Y2O2S、YVO4、YPO4、ZnS、ZnO、(Y，Gd)2O3、(Y，Gd)BO3、Y(P，V)O4、LaPO4、以及BaMgAl10O17等。也可使用在上述荧光体的基体结晶中，导入作为荧光体的发光中心的活化剂的荧光体粒子。然而，含化学性为活性的S的化合物与Hg蒸气产生化学反应而生成HgS(黑色物质)，因此无法使用。若粒子表面层不含S则可使用。所利用的粒子表面要求是化学上与物理上清洁的表面。除了上述化合物以外，众所周知有介电常数较大的钙钛矿粒子。作为其代表者，存有PbZrO3、PbTiO3、CaTiO3、SrTiO3、BaTiO3、PbTiO3与PbZrO3的固溶体(PZT)、以及PbTiO3与CaTiO3的固溶体等。钙钛矿粒子的介电常数非常大。如上所述，粒径过大的介电常数材料的粒子即便积聚大量的自由电子及离子，也因钙钛矿粒子的充放电导致外部电路的感应电流的速度变慢而无法使用。
本发明的新电子源是作为荧光放电灯管制造的零件而处理。经由实施例，详细说明作为零件的新电子源的制作方法。
实施例1
本发明的电子源的零件是在金属电极上以适当的厚度涂布绝缘体粒子。由于绝缘体粒子为粉末，因此混合绝缘体粒子与被称作媒液的结合剂溶液而制作涂布液(浆液)。通常使用的媒液有表1所示的两种媒液。不论使用哪个媒液均可获得相同结果。
表1
  媒液A   乙酸丁酯100g   硝化纤维素1.0g
  媒液B   二甲苯100g   乙基纤维素2.0g
表2
  材料   重量混合比(g)
  Y(V，P)O4:Eu   100
  媒液A   150
在Ni金属棒电极选择Y(V，P)O4:Eu红色荧光体粉末作为绝缘体粒子，并用媒液A制作浆液。表2表示其混合比例。用秤准确地秤量表2的材料，充分混合两者而制作浆液。将Ni金属棒电极浸渍在浆液中，并立即拉出，则Ni金属棒电极表面上附着有浆液。所附着的绝缘体粒子层数经由改变表2所示的混合比例而进行调节。拉出的Ni金属棒电极上的绝缘体粒子层被浆液浸湿，因此吹50℃左右的热风而进行干燥。干燥后，将电极置于无盖炉中以550℃加热10～30分钟。加热使有机物氧化并形成水蒸气与二氧化碳气体扩散至空气中。当Ni金属棒电极的温度降为室温时，获得涂布有Y(V，P)O4:Eu红色荧光体的白色粉末的Ni金属棒电极。涂布有该白色粉末的Ni金属棒电极可作为CCFL电极而使用。
实施例2
在Ni-Cr圆盘状金属电极选择Y2O3:Eu红色荧光体粉末作为绝缘体粒子，并选择媒液B而混合成浆液。表3表示制作浆液时的混合比例。用秤准确地秤量表3的材料，充分混合两者而制作浆液。将Ni-Cr盘状金属电极浸渍在该浆液后拉出，则浆液附着在Ni-Cr盘状金属电极的两表面。所附着的绝缘体粒子层数可经由改变表3所示的混合比例而进行调节。拉出的Ni-Cr圆盘状金属电极上的绝缘体粒子层被浆液浸湿，因此吹微热风而使其干燥。干燥后，将电极置入无盖炉中以550℃加热10～30分钟，则有机物经由氧化而分解并形成水蒸气与二氧化碳气体扩散至空气中。当Ni-Cr圆盘状金属电极的温度降为室温时，获得涂布有Y2O3:Eu红色荧光体的白色粉末的Ni-Cr圆盘状金属电极。涂布有该白色粉末的Ni-Cr盘状金属电极可作为CCFL的电极而使用。
表3
  材料   重量混合比(g)
  Y2O3   100
  媒液B   150
实施例3
在Ni金属棒电极选择BaO绝缘体粒子与媒液B，而制成浆液。表4表示其混合比例。制造步骤与实施例1及实施例2中所述的步骤相同，因此省略说明。涂布有该白色粉末的Ni金属棒电极可作为CCFL的电极而使用。
表4
  材料   重量混合比(g)
  BaO   100
  媒液B   150
实施例4
在Ni杯状电极选择BaMgAl10O17绝缘体粒子与媒液A，而制成浆液。表5表示其混合比例。制造步骤与实施例1及实施例2所述的步骤相同，因此省略说明。涂布有该白色粉末的Ni杯状电极可作为CCFL的电极而使用。
表5
  材料   重量混合比(g)
  BaMgAl10O17   100
  媒液A   150
即便使用实施例中未示的氧化物、多氧化物的粉末，也可获得与实施例2～4所示的同样结果，因此虽省略该等实施例的上述叙述，但也属于本发明。
实施例5
实施例5将叙述经由本发明的电子源取代HCFL中广泛使用的热阴极时，可解决哪些问题。世界上使用最广泛的电极是热阴极。热阴极是用氧化钡(BaO)等覆盖加热至800℃左右的钨丝而成的阴极。自配置在加热BaO层的最上层的Ba向真空中发射电子。当操作HCFL时，电极附近的管壁温度高于其他部分的管壁温度。管内径小于10mm的省电型HCFL加热至人手无法触摸的高温(50℃～60℃)。电极周边的放电管的管壁温度上升的原因不明，因此无法采取对策。根据本发明人的研究，阴极表面受到不可避免地形成的表面结合电子SBE(105V/cm)的覆盖，为超越SBE的负电场而自阴极取出电子，必须向阴极施加105V/cm以上的阳极电压。自阴极取出的电子当然是具有105V/cm以上的能量的高速电子。进入充满气体原子的气体空间的高速电子经由阴极与阳极间的较强的一方向的电场，电子向一方向前进。向一方向前进的高速电子，不激发气体原子而在气体空间中通过一定距离后，与气体原子非弹性碰撞，使气体原子离子化而分离为电子与离子。每次离子化时皆因气体原子的熵的变化而产生热。该热阴极周边的较广范围内放电灯的管壁温度升高。高速电子一面重复与气体原子进行非弹性碰撞一面一点点地损失能量，在自阴极迁移一定距离之处，迁移电子的能量减少至激发气体原子的能量。电子激发气体原子时并不伴随热的产生。因此，以后的管轴长度上管壁温度固定。阴极附近的管壁温度上升是HCFL的第一问题。该问题表示如下事实，即不参与荧光放电灯管的主放电的气体原子产生离子化。这是对荧光放电管的点亮无用的能量消耗。当电子供给源采用本发明的电子源时，HCFL成为CCFL，自电子源取出的电子的能量接近零速度，并不引起气体原子的离子化。因此，荧光放电灯管的点亮中荧光放电管端周边的温度并不上升。因此，使用本发明的电子源的CCFL的点亮电力，较之现有HCFL与CCFL荧光放电灯管的点亮电力显著减少。
第二问题是阴极前面产生的较大的阴极电压降低。荧光放电灯的全部能量的30％～40％的因阴极电压降低而损失掉。在CCFL中也产生阴极电压降低，因此通常认为并非热电子阴极所固有。如上所述，将电子直接取出至真空中的阴极被不可避免地形成的较强负电荷的SBE(105V/cm)覆盖。为自阴极取出电子，必须向阴极施加105V/cm以上的阳极电压。所取出的电子经由阴极与阳极间中较强的一方向的电场，而向一方向前进。向一方向前进的高速电子，不激发气体原子而是通过气体空间的过程中，与气体原子进行非弹性碰撞，使气体原子产生离子化而分离为电子与离子。高速电子一面重复与气体原子进行非弹性碰撞一面一点点地损失能量，从阴极迁移一定距离之处，迁移电子的能量减少为激发气体原子的能量的水准。如上所述，经由电子激发气体原子时并不伴随热的产生。参与以后的放电的电子由具有激发气体原子的水准的能量的电子行为决定，成为不受阴极上形成的SBE影响的放电。该放电为阳极区放电。产生阴极电压降低的范围，与阴极表面至开始有阳极区之间一致。
在该范围内，混有自阴极取出的根据场所而能量值不同的高速电子、经由气体原子的离子化而产生的自由离子与自由电子，但各荷电粒子的分布并不均匀，根据距阴极面的距离而不规则变化。该变化中也存在具有可激发气体原子的能量的电子，虽激发气体原子而使之发光，但该电子的数量较少。其他具有能量的电子与离子不使气体原子发光。决定电子能量的一个因素是电子与离子的质量差。离子化而产生的离子与电子经由阴极与阳极的电场，而在电场中迁移，但迁移速度、迁移方向、迁移距离差异较大，因此在气体空间中不均匀地分布。偏积分布的离子的电场(与阳极电场反方向)作用于轻量且运动的电子。能量值不同的高速电子、偏积的离子、根据电场强度而易运动的电子的复杂分布，使该等荷电粒子无法均匀分布，观察到据此而产生的线状发光条纹。阴极电压降低的产生范围相当于线状发光条纹的产生范围。若使用现有阴极则在阴极面上不可避免地产生SBE，因此阴极电压降低也不可避免地产生。经由本发明的电子源替换现有阴极电极，即可从荧光放电灯中完全消除阴极电压降低。其结果为，使用本发明的电子源的CCFL的点亮耗电，相比于现有产品减少约40％，因此对环境污染问题作出较大贡献。
第三问题是荧光放电灯的点亮寿命。使用HCFL的荧光放电灯的寿命缩短的原因在于，电极金属周边产生的阳离子被阴极电位吸引，与阴极进行弹性碰撞，将阴极金属局部加热至高温，从而蒸发出金属蒸气。若采用本发明的电子源，放电气体内并无暴露于阳离子的金属。因此，可极大延长寿命。
以上为止说明的发明的详细内容是荧光放电灯管的电子供给源的改良。若使用本发明的电子源，则可取出初速接近零的电子至放电路中。其结果为，可阐明现有荧光放电灯管的研究中难以阐明的现象。该等现象是荧光放电灯管的放电点亮开始时间的延迟、以及阳极区收纳入SBE鞘内。该类问题的原因在于构成荧光膜的各荧光体粒子的荷电状态。至今为止无人可理解荧光体粒子的物性，因此无法阐明该类问题。以下详细说明各荧光体粒子的荷电状态关于放电电子的状态。
图6中图解对FL管内的气体放电产生影响的荧光膜的4种荷电状态与电子轨道的变化。图6(A)是在荧光放电灯管玻璃9的内壁面涂布市售放电灯用(PL)荧光体粉而成的荧光膜24的局部图。市售PL用荧光体的全体粒子自制造时开始便保持永久内部极化(PIP)，PIP的负电荷(约150V)的电场到达粒子外。理所当然地，使用市售PL荧光体而制作的荧光膜24的上表面覆盖有PIP的负电荷。当来自电子源的初速接近零的电子e接近时，电子e受到PIP的负电场的静电斥力，无法进入荧光膜上。不仅仅如此。气体空间因填充气体原子的最外殼的外殼电子而充满负电场，电子e也无法进入气体空间。气体原子不放电。即气体放电不点亮。
可进入荧光放电管中的气体空间的电子仅仅是高能量电子。现有放电灯管是自阴极取出高能量电子，因此电子可进入气体空间，但高能量电子无法在荧光膜上进行表面传导，从而无法使气体放电始动。欲使荧光放电灯管的气体放电，必须在气体放电前先向荧光膜上导入低速电子。所使用的高能量电子单向前进，散射电子而无法克服荧光膜的PIP负电场。若在荧光膜周边设置传导体，并向其施加300V左右的正电压，则根据经验会发现放电灯的气体始动现象。特殊CRT开发者也根据经验而知悉。若向荧光膜施加200V以上的正电场，则荧光膜的PIP从荧光膜中消失。荧光膜的PIP的存在及其消除方法可实用于干式影印机及电子照片的感光板。荧光体材料也可用作感光板但性能较低，因此无法实用化。荧光膜的PIP也利用在特殊CRT(储存管)。作为荧光放电灯管的放电的始动方法，荧光放电灯管的技术者根据经验发现了荧光膜的PIP的消除法，但因无法理解PIP自身的存在，因此不明其动作原理。受到因消除PIP而随之产生的诸问题的除去的困扰，根据经验发现的方法成为公司内部的机密。本发明人经由选择荧光体而完全解决PIP的问题。若控制荧光体的种类及制作方法，则可制作荧光膜中无PIP的荧光体。
图6(B)表示对使用荧光体粒子不具有PIP的荧光体制成的荧光膜25上导入初速接近零的电子时，荧光膜表面传导电子的状态。作为无PIP的荧光体，是在15V以下的低电子束的照射下发光的CL荧光体。代表的荧光体有发出白绿色光或者在390nm具有峰值且发出尖锐的线状光的氧化锌(ZnO)荧光体、不使用钠作为熔剂而制作的发出蓝色光的硫化锌(ZnS:Ag:Cl)荧光体、发出绿色光的硫化锌(ZnS:Cu:Al)荧光体、以及特殊条件下制作的MgO。当照射至荧光膜的电子能量上升为120V时，另外有经由氧化锌过量而制造的硅酸锌(Zn2SiO4:Mn)荧光体、对表面进行化学蚀刻而制作的硫酸钇(Y2O2S:Eu或Tb)荧光体、以及不使用熔剂而制作的氧化钇(Y2O3:Eu或Dy)荧光体等。图6(B)的示例表示用ZnO荧光体制作荧光膜的情形。因不存在PIP负电场，故进入至荧光膜表面的低速电子容易进入荧光膜上，并受位于放电管另一端的积聚离子8的电场加速，在荧光膜表面上往单向前进，到达积聚离子8并经由与累计离子8再结合而形成气体原子。在通常的FL管(管长50cm)往单向前进的电子轨道上存在气体原子的机率为可计算。其值为10-6，可认为单向前进的加速电子与气体原子碰撞的概率为零。并无表面传导的电子引起的气体原子发光。进而，并无直接测定在荧光膜上进行表面传导的电子的方法。由于可间接地在设置于放电管外壁的导体中检测出较大的感应电流，因此可理解有流过较大的表面传导电流。可观测到以下事实。ZnO荧光膜并非为完全的平滑面，因此在荧光膜表面上往单向前进的加速电子碰撞荧光膜的突起部分后，该部分的荧光体会进行CL发光。CL发光虽微弱，但可确认往单向前进的加速电子的存在。若荧光膜为完全的平滑面，则无法检测出电子运动。若加速电子的检测使用Y2O3:Eu荧光体(在110V的电子照射下发光)的荧光膜，则可观测到以下事实。Y2O3:Eu荧光体中少数荧光体粒子存在缺陷，经由该粒子的负电荷，使往单向前进的电子轨道被弯曲，因表面传导而加速的电子进入充满气体原子的气体空间中。轨道被弯向气体空间的加速电子与气体空间的气体原子进行非弹性碰撞。因非弹性碰撞而获得能量的气体原子(Hg)受到激发，发出紫外光。发出的紫外线照射至荧光膜，荧光膜进行PL发光。因非弹性碰撞而使轨道弯曲的电子停留在气体空间中，并受施加于气体空间的高频电场加速，激发气体空间的其他气体原子。在气体空间中产生该重复，气体原子开始放电。荧光膜中所含的单向前进的电子轨道弯曲的粒子数较少，因此PL发光强度较低，但相比于ZnO荧光膜的情形已有较多荧光体粒子进行PL发光。如此，经由观察PL发光可明确检测出单向前进的加速电子、及加速电子的轨道弯向气体空间而激发气体原子的方法。使用发出绿色光的荧光体Zn2SiO4:Mn或红色荧光体Y2O2S:Eu也可检测出相同的结果。然而，单独以该类荧光体制作的荧光膜的发光，相比于实用水准的发光强度相当低。上述实验对于重视实务的放电灯技术者而言，因低亮度而被忽视。然而，如上所述错过了提供非常重要的科学资讯的来源。
无PIP的荧光膜容易允许低速电子在荧光膜上进行电子传导，从而加速电子(诱因的作用)，但对于荧光放电灯管中的气体激发并无直接贡献。若荧光膜中存在带负电的荧光体粒子，则加速电子的轨道在带负电的荧光体粒子处被弯曲而进入气体空间，并激发气体原子。经激发的气体原子发出紫外光。非弹性碰撞的电子停留在气体空间内，受高频电场加速，并激发其他气体原子。经由该重复而使气体放电始动。这是使实用荧光放电灯管的气体放电瞬时点亮的机制。该观察对于科学解析荧光放电灯管而言是一个非常重要的发现。
图6(C)中为确认上述发现，在荧光放电灯管的荧光膜末端的小面积上涂布ZnO荧光体粒子25(无PIP)，剩余的大面积上由排列有市售PL荧光体粒子的荧光膜24(有PIP)覆盖荧光放电管内壁面。实验性地首先在玻璃内壁面涂布市售PL荧光体粒子，干燥后焚化结合剂。用柔软的布拭去玻璃端的荧光膜后，在擦拭后的玻璃面上涂布ZnO荧光体粒子25。进行干燥后焚化结合剂。经由该方法而可制作图6(C)的荧光膜。
在该荧光膜上设置本发明的电子源，并导入初速接近零的电子。电子在ZnO荧光体粒子25的排列处加速，且具有可激发气体原子的能量。加速电子无法进入市售荧光膜24上，而是弯曲电子轨道进入气体空间中。进入气体空间的电子与气体原子进行非弹性碰撞，激发气体原子而使气体空间的放电点亮。该现象是荧光放电灯管的气体放电的瞬时点亮。非弹性碰撞的电子经由气体空间的高频波，从高频电场获取适当的能量，并经由非弹性碰撞而激发下一气体原子。与传播过放电路的高频波共振的电子一面经由该重复而激发气体原子，一面在放电管中迁移至管端，最后与离子结合而消失。当人们用眼睛观察在荧光放电管中与高频波共振而迁移的电子时，会认为荧光放电灯管是以均匀强度发光的荧光膜。然而，遗漏了重要的事实。
在放电路中迁移的电子经由加速而具有能量，并与气体原子进行非弹性碰撞。非弹性碰撞的电子的轨道方向为随机。向随机方向散射的电子中存有具有接近荧光膜的机会的电子，但荧光膜中存在PIP26的负电荷，因此该电子无法接近荧光膜，而是返回阳极区内。与高频波共振的使气体原子发光的电子的活动范围并非为气体放电管的整个空间，而是限定在与荧光膜保持固定距离的放电管的中央的气体空间内。该空间收纳在PIP鞘26的阳极区。气体原子的电性为中性，不受电场及电荷的影响，在放电管内以均匀浓度分布。在PIP鞘26中收纳的阳极区与荧光膜之间，气体原子(未激发的气体原子)以均匀浓度分布。若在阳极区发出的光是经由气体原子的激发能阶向基态能阶的电子过渡而产生，则允许发出的光被气体原子吸收。该情形时阳极区内发出的光被介于阳极区与荧光膜之间的气体原子吸收，到达荧光膜的光是吸收后的残留光。在荧光放电灯的情形时，利用低压Hg蒸气的发光。发光是从Hg的激发能阶6p向基态能阶6s的电子迁移，因此受到阳极区与荧光膜之间存在的Hg蒸气吸收。光是不带电荷的粒子，因此不受PIP的影响，仅有被阳极区与荧光膜之间存在的Hg蒸气吸收后残留的光到达荧光膜。荧光体粒子是具有较大的光折射率的粒子，因此紫外线的一部分进入排列在荧光膜表层的荧光体粒子，直接被发光中心吸收而发出可见光。由表层粒子反射的紫外线成为散射光，并进入荧光膜的深部的荧光体粒子而发光。为增加荧光放电灯管中到达荧光膜的紫外线量，较佳为荧光膜不被PIP负电荷覆盖。即，较佳为不形成PIP鞘。
若向靠近荧光膜配置的导体施加正电位，则荧光膜的PIP电荷消失。若期望其结果为，PIP鞘26消失，阳极区扩展至荧光膜，增加亮度，但并非如此。不存在PIP的荧光膜等同于图6(B)所示的荧光膜25，电子不进入负电场的气体空间，而是在荧光膜表面上进行单向前进的表面传导，荧光放电灯管的亮度显著降低。高亮度发光的荧光膜必须具有经由在荧光膜上表面传导而加速电子的功能、与使上述电子轨道向气体空间偏折的PIP荧光体粒子此两者的荧光体粒子的组合。实务上在PIP电荷无法作用之处设置阳极区即可，允许Hg原子的自行吸收，实用管径为25mm以上的较大的荧光放电灯，并根据经验求出最佳条件。这是现有荧光放电灯，即允许在阳极区内Hg发出的254nm紫外线的自行吸收，将存在发光饱和现象的荧光放电灯实用化。
根据图5的结果，如图6(D)所示，在玻璃管内面交替排列具有PIP的市售PL荧光体24以及无PIP的低电压CL荧光体25。可知PIP26的作用大幅度降低，气体放电的始动较快，且阳极区扩展导致亮度上升。此处必须选择低电压CL荧光体25。低电压CL荧光体25的替代物如上所述。并非该类荧光体中的任一者皆可使用。市售的该类荧光体中，是表面处理而在表面附着有绝缘体的微细粒子。在其他情形时，荧光体制造时的处理不充分，残留物残留在粒子表面。经由散射而从阳极区照射至荧光体粒子的电子，进入荧光体粒子内，并从荧光体粒子向真空中发射二次电子。此时荧光体粒子中残留电洞。该电洞与二次电子在真空中结合，经由与金属阴极的情形相同的机制，在粒子表面形成SBE。若有附着杂质，则在该杂质的表面上也形成SBE。CL荧光体粒子的发光是经由电子的射入而在荧光体粒子内产生大量电洞与电子，该类电洞与电子在发光中心再结合而发光。若CL荧光体粒子的表面洁净，则CL荧光体粒子的表面的SBE失去作为结合对象的荧光体粒子内的电洞。失去对象的真空中的电子成为自由电子，被加速并使电子轨道弯向阳极区，有助于放电。问题在于附着在粒子表面的杂质上所产生的SBE。具有与PIP同等的作用。困难在于无法消除杂质上的SBE。因该理由，低电压CL荧光体的筛选甚重要。最可靠的低电压CL荧光体为ZnO荧光体。此处对CL荧光体的亮度大于PL荧光体的理由加以说明。进入荧光体粒子内的1个射入电子所形成的电子与电洞对数，相当于射入电子与晶格进行非弹性散射的数量(约1,000个)。另一方面，PL荧光体粒子中一个光子仅可激发一个发光中心。这是CL荧光体明亮的理由。
使PL荧光体24与低电压CL荧光体25在荧光放电灯管的内壁面邻接而制造荧光膜，是最难的工作。根据出版论文、Journal Physics D AppliedPhysics，32，(1999)，pp513-517(非专利文献6)，FL的最佳荧光膜厚为3层的荧光体粒子。照射至该荧光膜的电子可进入的粒子，仅是排列在最上层的粒子，紫外线不受粒子的荷电的影响，而进入荧光膜中。以粒子层数来表示进入深度时为3层。根据该理由，在玻璃管内壁面涂布3层的市售荧光体粒子24，干燥后以散布于市售荧光体层24上的方式涂布低电压CL荧光体25，则可制造本发明的荧光膜。图7(A)表示如此制作的荧光膜的示意图。
分两次涂布荧光膜，导致作业步骤复杂。设计一种对荧光体浆液进行一次涂布便制作出荧光膜的方法。市售PL荧光体的平均粒径为4μm。低电压CL荧光体的粒径为2μm。以重量比PL荧光体∶CL荧光体＝7∶3的比例，秤量粒径不同的两种荧光体粉，将秤量粉体置入混合瓶中，并混合均匀，制作荧光体涂布液并将其涂布于放电管玻璃内壁面。当涂布液未干燥时，在接近玻璃管壁之处选择性地聚集较大的PL荧光体粒子24，并在荧光膜的表面聚集大量较小的CL荧光体粒子25，因此获得图7(B)所示的荧光膜。使用图7(B)的荧光膜制作荧光放电灯管，则位于表面层的CL荧光体粒子并不形成SBE，因此阳极区内具有高能量的电子到达CL荧光体粒子。其结果为，阳极区靠近荧光膜并发出紫外线。该紫外线因阳极区与荧光膜之间并未有未激发的Hg原子，而使得大多数紫外线射入PL荧光体层中。其结果为，荧光膜的PL强度增加。此处当PL荧光体的平均粒径为4μm时，使用的CL荧光体粒子的大小的平均值为1μm～3μm，则可获得良好的结果。该粒径随PL荧光体的粒径而改变。要注意的事项是当CL荧光体粒子较小、为1μm以下时，粒子不在荧光膜的表面排列，而是在荧光膜干燥时聚集在荧光膜的底部，CL荧光体粒子的效果变小。以下使用实施例对荧光膜进行更详细的说明。
实施例6
对混合有本发明的低电压发光CL荧光体的荧光膜的一例进行说明。荧光膜是由混合表6所示的荧光体粉而制作。作为性能良好的低电压CL荧光体，存有ZnS是荧光体，但基体结晶的硫S在放电中与Hg蒸气产生化学反应而形成HgS，因此避免使用ZnS系荧光体。
秤量表6的各荧光体粉的重量，并将其置入混合瓶，充分混合所秤量的荧光体粉。在该混合粉体中添加150克的媒液A，进行搅拌使得荧光体粒子充分分散在浆液中。将荧光体浆液导入外径5mm的玻璃管内，放置短暂时间后，自玻璃管内除去浆液，则玻璃内壁面上附着荧光体粒子，荧光膜被涂布在玻璃管内壁面。对荧光膜进行热风干燥后，以600℃在无盖炉中加热30分钟，经由热分解而使荧光膜内的有机结合剂成为水蒸气与二氧化碳气体并自管内除去，则玻璃管壁上残留仅由荧光体粒子构成的荧光膜。经由柔软的布擦拭位于玻璃管壁端的荧光膜。在擦拭的玻璃管的部位，插入实施例4与实施例5中的任一电极。其中一管端经由熔融玻璃管而密封电极。对另一管端的玻璃管略微加以熔融而使管径变细。在变细的管径顶端设置Hg汞齐与Ba集气器后，将开口的小玻璃管20连接于排气装置，使用真空泵除去玻璃管内的空气。除设置有Hg汞齐与Ba集气器的玻璃管的部位以外，将玻璃管全体置入炉内，加热至500℃左右使玻璃管内的材料除气。若除气步骤结束，则使温度降低至接近室温。其后略微加热Hg汞齐与Ba集气器，进行自该等的气体排出。用泵进行排气。其后，导入70Torr左右的Ar气体，熔融收纳有Hg汞齐与Ba集气器的现有玻璃并自排气装置断开玻璃管。断开后，加热Hg汞齐与Ba集气器而使其活化。之后，熔解并密封电极部分的排气细管，则可获得外径为5mm的CCFL荧光放电灯管。该CCFL以10毫秒左右的速度点亮放电。当然，点亮速度即便在暗处也不改变。该放电灯中并无阴极电压降低，外部电路测定的点亮电力较现有CCFL相比，减少30％。进而，并无限制阳极区大小的SBE鞘，因此可从荧光放电灯管的荧光膜获得13％以上的光。
表6
  荧光体   化学式   重量混合比(g)
  PL蓝色荧光体   BaMgAl10O17:Eu2+   15
  PL绿色荧光体   LaPO4:Ce3+:Tb3+   60
  PL红色荧光体   (Y，Gd)BO3:Eu3+   25
  低电压CL荧光体   ZnO   10
  媒液A   15O
实施例7
表7是混合本发明的低电压发光CL荧光体粉的荧光膜的其他示例。市售PL荧光体是以混合发出蓝色光的化学式(Ca，Sr，Ba，Mg)(PO4)6Cl:Eu2+、发出绿色光的BaMgAl10O17:Eu2+:Mn2+、以及发出红色光的Y(V，P)O4:Eu3+的荧光体而发出白色光的方式进行制备，进而向低电压CL荧光体中添加ZnO荧光体粉。荧光膜的制造步骤以及荧光放电灯管的制造步骤与实施例6相同，因此省略说明。
表7
  荧光体   化学式  重量混合比(g)
  PL蓝色荧光体   (Ca，Sr，Ba，Mg)(PO4)6Cl:Eu2+   20
  PL绿色荧光体   BaMgAl10O17:Eu2+:Mn2+   58
  PL红色荧光体   Y(V，P)O4:Eu3+   22
  低电压CL荧光体   ZnO   15
  媒液A   120
实施例8
表8表示混合本发明的低电压发光CL荧光体粉的荧光膜的另一其他示例。实施例6与7中使用的荧光体中使用贵重的稀土类元素，因此价格非常高。尤其大量使用了资源日渐枯竭的铽Tb元素。急需开发一种不使用该类贵重元素的明亮的荧光放电灯。在NTSC的x-y色度座标点中，发出明亮绿色光的荧光体为Zn2SiO4:Mn2+荧光体。Zn2SiO4:Mn2+荧光体粉根据PL用与CL用而存有两种不同的制造法。现有荧光放电灯管中所使用的是PL用Zn2SiO4:Mn2+荧光体粉，即在粒子表面附着有大量SiO2绝缘体微粒子的荧光体粒子粉。该荧光体粉末可用于管径较大的荧光放电灯中，阳极区收纳于荧光膜上形成的较强的SBE鞘中，因此无法用于细管径的荧光放电灯管的荧光膜。荧光放电灯管的内壁面上不形成SBE的Zn2SiO4:Mn2+荧光体粉，是在120eV的电子束照射下进行明亮的CL发光的Zn2SiO4:Mn2+荧光体粉。将该CL发光的Zn2SiO4:Mn2+荧光体粉与稀土类活化的蓝色荧光体粉以及红色荧光体粉混合，则可获得发出白色光的荧光体粉。当采用在管径为15mm以下的CCFL管的内壁上涂布该荧光体粉的荧光膜时，CL发光Zn2SiO4:Mn2+荧光体粉的粒子上不形成SBE，阳极区靠近荧光膜而进行明亮发光。因此，可将CL发光的Zn2SiO4:Mn2+荧光体粉使用在与多色的PL荧光体粉的混合粉而发出白色光的荧光膜。可获得管径为15mm以下的细管的CCFL。无须大量使用贵重的Tb，也可获得发出白色光的CCFL。表8表示获得具有绿色NTSC色度座标点的白色荧光膜的荧光体粉的混合比例。混合粉并不限定于表8所示的PL荧光体粉，使用CCFL中使用的其他种类的PL蓝色发光荧光体粉与其他种类的PL红色荧光体粉的混合粉，也可获得相同的结果。荧光膜的制造步骤以及荧光放电灯管的制造步骤与实施例6相同，因此省略说明。
表8
  荧光体   化学式  重量混合比(g)
  PL蓝色荧光体   BaMgAl10O17:Eu2+   20
  CL绿色荧光体(120eV)   Zn2SiO4:Mn2+   58
  PL红色荧光体   YBO3:Eu3+   22
  低电压CL荧光体   ZnO   10
  媒液A   130
实施例9
根据经验获得的结果，实施例8的细管CCFL的荧光膜的构成包含约35重量％的CL绿色荧光体粉以及23重量％的PL绿色荧光体粉时，可获得最高的亮度。表9表示混合比例。表9的混合是作为实施例一例，混合的PL荧光体并不限定于表9所示的PL荧光体，使用CCFL中使用的其他种类的PL蓝色发光荧光体粉以及其他种类的PL红色荧光体粉的混合粉，也可获得相同的结果。荧光膜的制造步骤以及荧光放电灯管的制造步骤与实施例6相同，因此省略说明。
表9
  荧光体   化学式  重量混合比(g)
  PL蓝色荧光体   BaMgAl10O17:Eu2+   20
  CL绿色荧光体(120eV)   Zn2SiO4:Mn2+   35
  PL绿色荧光体   Zn2SiO4:Mn2+   23
  PL红色荧光体   YBO3:Eu3+   22
  低电压CL荧光体   ZnO   10
  媒液B   150
实施例10
实施例6～9中使用的荧光体中，使用克拉克值(Clarke number)较小且存在资源枯竭的担忧的贵重稀土类元素，因此价格非常高。尤其是大量使用资源日渐枯竭的Tb与Eu元素。急需开发一种不使用该类贵重元素而明亮发光的荧光放电灯。本发明人着眼于现有荧光放电灯管中使用的卤磷酸钙白色发光荧光体Ca5(PO4)3(F，Cl):Sb3+:Mn2+。根据本发明人的研究，经由卤磷酸钙荧光体而制作的荧光膜存在于荧光放电管中因PIP而导致放电发光的点亮的问题。进而，点亮时在荧光膜上形成较强的SBE，阳极区收纳于较强的SBE鞘内，介于阳极区与荧光膜间的Hg蒸气吸收254nm紫外线，大大限制了荧光放电灯管的光输出。产生如此现象的主要原因在于，卤磷酸钙荧光体的发光中，发光中心利用Sb3+与Mn2+的敏化作用，在一个荧光体粒子中Sb3+直接吸收254nm紫外线，Sb3+发出的蓝色光的一部分由Mn2+吸收，并在黄色的宽广频带中发光，经由两个发光频带而发出白色光。根据活化剂的激发机制的分类，为直接激发荧光体，基体结晶的电子与电洞不参与发光。该种荧光体在电子束照射下仅发出较暗的CL光。这是众所周知的事实。遗漏之处在于，基体结晶的电子与电洞不参与发光，因此直接激发荧光体粒子的物性在电子束照射下具有绝缘体的特性。如上所述，荧光放电灯管内的荧光膜上，阳极区内刚进行非弹性碰撞之后的电子的前进方向为随机，也有具有高能量的电子到达荧光膜。若向绝缘体照射电子，则在绝缘体粒子表面形成SBE。SBE量随时间积聚，其结果为产生较强的SBE。此即造成使用卤磷酸钙荧光体时阳极区进入SBE鞘中，荧光膜出现亮度饱和现象。若解决SBE鞘的问题，则卤磷酸钙荧光体可适用于内径为2mm的CCFL的荧光膜。若CCFL中可使用卤磷酸钙荧光体，即可获得不使用有资源枯竭担忧的稀土类元素的廉价的白色发光CCFL。卤磷酸钙荧光体具有的放电发光的点亮延迟问题，是与荧光放电灯中使用的PL荧光体共通的问题，可解决该问题。以下根据实施例说明解决方法。
表1O
  荧光体   化学式  重量混合比(g)
  卤磷酸钙荧光体   Ca5(PO4)3(F，Cl):Sb3+:Mn2+   70
  低电压CL荧光体   ZnO   30
  媒液A   150
如表10所示，秤量70克的发出白色光的卤磷酸钙荧光体粉以及30克的发出蓝白色光的低电压CL ZnO荧光体粉，并混合该粉体。将该混合粉体与150克的媒液A混合而制作浆液。以后的荧光膜的制造步骤与实施例6相同，因此省略其说明。可获得一种CCFL，所得的内径为2mm的CCFL以毫秒单位瞬时点亮，荧光膜上基乎无法检测出SBE，其发光亮度远远高于现有25mm管的荧光放电灯。本发明的卤磷酸钙荧光体粉的材料成本相比于当前市售的CCFL非常低，约为十分之一。开发的内径为5mm以上的CCFL荧光放电灯最适合用于室内照明。尤其外径为15～20mm的CCFL适于房屋照明。开发的荧光灯廉价，且寿命长达100,000小时以上，因此对使用者有利。
实施例11
将实施例10所示的CCFL用于LCD的背光时，红色光不足。发出纯红色光的荧光体是以Eu3+离子为发光中心的荧光体。发表有多个将Eu3+作为活化剂的荧光体，实用Eu3+荧光体的任一者均是在电子束照射下明亮发光的荧光体。其中在110eV的电子束下发光的荧光体为Y2O3:Eu3+荧光体。实施例11是以Y2O3:Eu3+荧光体增强红色的示例，但并不限定于该荧光体，其他红色荧光体也可用于增强红色。
表11
  荧光体   化学式  重量混合比(g)
  卤磷酸钙荧光体   Ca5(PO4)3(F，Cl):Sb3+:Mn2+   100
  PL红色荧光体   Y2O3:Eu3+   30
  低电压CL荧光体   ZnO   25
  媒液A   130
表11为增强发出白色光的Ca5(PO4)3(F，Cl):Sb3+:Mn2+的红色波长范围内的光，而在表10的混合荧光体粉中添加发出红色光的Y2O3:Eu3+荧光体粉(具有在611nm线发光波长)的情形。混合荧光体粉使用媒液A而混合浆液。以后的荧光膜的制造步骤与实施例6相同，因此省略其说明。所得的外径为2mm的CCFL以1毫秒左右的速度瞬时放电，经由Y2O3:Eu3+荧光体(在611nm线发光)的发光而进行色校正，可在LCD的背光中使用。且表现出无法观察到阴极电压降低，在点亮中的CCFL管中的荧光膜上基乎无法检测到SBE的特征。
产业上的可利用性
根据本发明可实现一种荧光放电灯管，无阴极电压降低因此有利于节约能源，可减小外部电源的电流，同时电极附近的明暗条纹状图案消失，可显著提高照明度。再者，根据本发明可实现一种荧光放电灯管，金属阴极无损耗因此可延长荧光放电灯管的寿命，显著提高每根荧光放电灯管的照明度，同时快速点亮与整个表面点亮。该荧光放电灯管包含直线管、曲线管、环形管、荧光灯泡及其他荧光放电灯。另外，本发明同时也可提供一种LCD显示装置(液晶显示装置)，其具有利用了该荧光放电灯管的背光装置。

Claims (16)

1.一种荧光放电灯管，在荧光放电灯的玻璃管内壁面涂布有荧光膜，其特征在于，所述玻璃管内的放电气体的点亮由电子流动的独立的内部电路与连接于电源的外部电路产生，并且所述玻璃管内具有：
一对相对施加电位的电极；
电绝缘体粒子层，分别设于所述一对的电极表面，该电绝缘体粒子层的电绝缘体粒子为荧光体粒子，所述荧光体粒子具有通过对所述电极施加所述电位而产生介电极化的晶格点非对称的结晶构造；
气体空间，设于所述一对的电极之间。
2.如权利要求1所述的荧光放电灯管，其特征在于，所述内部电路是由分别个别形成在所述荧光放电灯管内部两端的电子源与离子源所构成，所述荧光放电灯管内的气体放电是在所述电子源取出的电子在气体空间内朝向所述离子源迁移的过程中产生，且当迁移的所述电子到达离子源时，所述电子与离子再结合，所述内部电路封闭。
3.如权利要求2所述的荧光放电灯管，其特征在于，作为所述电子源形成用电极，在所述荧光放电灯管内的一端配置层状覆盖有电绝缘体粒子的金属电极；而作为所述离子源形成用电极，在所述荧光放电灯管内的另一端配置层状覆盖有电绝缘体粒子的金属电极。
4.如权利要求3所述的荧光放电灯管，其特征在于，向所述电子源形成用电极的金属电极施加正极性的电位，使所述金属电极的电绝缘体粒子介电极化，电极周边的气体离子化所产生的自由电子受到介电极化后的所述电绝缘体粒子的正电荷的吸引，将所述自由电子在所述电绝缘体粒子近前的气体空间与所述电绝缘体粒子内的正电荷结合而形成的空间电子云作为所述电子源；且向所述离子源形成用电极的金属电极施加负极性的电位，使所述金属电极的电绝缘体粒子介电极化，电极周边的气体离子化所产生的离子受到介电极化后的所述电绝缘体粒子的负电荷吸引，将所述离子与所述电绝缘体粒子的极化负电荷结合而形成的离子群作为所述离子源。
5.如权利要求4所述的荧光放电灯管，其特征在于，将电子自所述电子源取出至荧光膜表面，经由荧光膜的表面传导而使电子加速，加速电子成为气体放电的点亮的始动诱因，经由带负电荷的荧光体粒子而使所述加速电子的轨道弯向气体空间，使荧光放电灯管的气体瞬时点亮放电，经过此产生无阴极电压下降的气体放电。
6.如权利要求5所述的荧光放电灯管，其特征在于，在所述荧光膜的表面交替配置不带负电荷的荧光体粒子与带负电荷的荧光体粒子，且在所述荧光膜表面的多个部位，经由所述带负电荷的荧光体粒子使所述加速电子弯向气体空间侧。
7.如权利要求1至6中任一所述的荧光放电灯管，其特征在于，所述荧光放电灯管的玻璃管内壁面涂布的所述荧光膜，是由电子束发光荧光体粉与光致发光荧光体粉的混合粉体所构成。
8.如权利要求7所述的荧光放电灯管，其特征在于，所述光致发光荧光体粉是由单独发出三色光的三种稀土类光致发光荧光体粉所构成，所述电子束发光荧光体粉是由低电压电子束发光荧光体粉构成。
9.如权利要求8所述的荧光放电灯管，其特征在于，所述稀土类光致发光荧光体粉内，使用CL发光的硅酸锌荧光体粉取代发出绿色光的光致发光荧光体粉。
10.如权利要求8所述的荧光放电灯管，其特征在于，所述稀土类光致发光荧光体粉内，使用CL发光的硅酸锌荧光体粉与PL发光的硅酸锌荧光体粉的混合粉体，取代发出绿色光的光致发光荧光体粉。
11.如权利要求8至10中任一所述的荧光放电灯管，其特征在于，在所述荧光膜，将所述低电压电子束发光荧光体的粒子不连续散布地配置在所述荧光膜的表面。
12.如权利要求7所述的荧光放电灯管，其中，所述荧光膜是由单独发出白色光的光致发光荧光体粉与低电压电子束发光荧光体粉的混合粉体所构成。
13.如权利要求12所述的荧光放电灯管，其特征在于，所述荧光膜中，白色光光致发光的所述光致发光荧光体由卤磷酸钙荧光体所构成。
14.如权利要求13所述的荧光放电灯管，其特征在于，在所述荧光膜追加性地添加有增强红色发光的电子束发光氧化钇荧光体。
15.一种LCD显示装置，其特征在于，将单个或多个如权利要求1至14中任一所述的荧光放电灯管排列在平面上，作为LCD显示装置的背光使用。
16.如权利要求15所述的LCD显示装置，其特征在于，在垂直方向或水平方向上配置多个所述荧光放电灯管，将各荧光放电灯管单独、或以多个荧光放电灯管为群，以线序扫描的方式依序点亮，并将线序的影像映出至LCD显示装置的整个屏幕。
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