JP2009123406A - 外部電極型希ガス蛍光ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 長時間点灯しても発光管に着色が生じることが抑制され、輝度維持率の低下も抑制される、液晶表示装置のバックライトなどに好適に適用可能な外部電極型希ガス蛍光ランプを提供すること。
【解決手段】 発光管の内部に蛍光体層を備え、発光管の外表面に一対の帯状の外部電極を発光管軸方向に形成しており、発光管内に主にキセノンガスからなる希ガスを封入してなる外部電極型希ガス蛍光ランプにおいて、蛍光体層と発光管の間に、真空紫外光の透過を抑制し同光を反射する機能を有する誘電体層を備えたことを特徴とする外部電極型希ガス蛍光ランプとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置のバックライトや一般照明用途としての使用に好適な外部電極型希ガス蛍光ランプに関する。

テレビやインフォメーションディスプレーのような大型表示装置の液晶画面用バックライト用途としては、現在、冷陰極型蛍光ランプが使用されている。バックライトの用途にあっては、蛍光ランプはその発光管の全周囲から蛍光体を透過して光を放射する、透過型の蛍光ランプとして使用されている。

この冷陰極型蛍光ランプでは、水銀を蛍光体励起用の紫外光発光種に使用するため、蛍光ランプで使用される発光管材質と水銀の反応が発光管壁において生じることが知られており、この反応を防ぐために主に酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などの微粉末を発光管内表面のガラス面に塗布焼成した後、その上に、蛍光体層を約１０μｍから１５μｍ程度の厚みで形成することがおこなわれている。こうすることで、輝度維持率の良好な冷陰極型蛍光ランプとして使用されている。

一方、特許文献１に示すように、外部電極型の希ガス蛍光ランプがＯＡ機器の読み取り用光源として普及している。この外部電極型の希ガス蛍光ランプの場合、アパーチャを有しており、蛍光体層は、その蛍光体層そのものによる反射光の利用が必要なため、約５０μｍ以上の厚みを有しており、通常の透過型の冷陰極型蛍光ランプより蛍光体層の厚みは厚くなっている。

この場合、蛍光体層に入ったキセノンエキシマ光である励起光（１７２ｎｍ）は、蛍光体層で可視光に変換され、これが、さらに蛍光体層の中でも発光管に近い部分に位置する蛍光体部位によって反射された光とともにアパーチャから放出される。

前述の液晶表示装置のバックライト用途あるいは一般照明用途において、水銀を発光種に使用しないで済む、という環境面の利点から、そして、暗黒状態からの点灯始動性が良好であるという使用面での利点から、冷陰極型蛍光ランプの代替として、外部電極型希ガス蛍光ランプが近時注目され始めてきている。
特開２００１−２５６９２５号公報

ところで、外部電極型希ガス蛍光ランプを液晶表示装置のバックライト用途に使用するには、アパーチャを備えないで、蛍光体層を薄くして発光管の全周囲から蛍光体を透過して光を放射する透過型の蛍光ランプとすることが考えられる。

ところが、本発明者が蛍光体層の薄い透過型の外部電極型希ガス蛍光ランプを試作して、点灯試験をおこなったところ、同ランプは水銀を含んでいないにもかかわらず、点灯を開始して１０００時間経過後に、発光管の内表面に黒色の着色箇所が見られることが見出された。

この着色現象については、希ガス蛍光ランプにおいては、今までに全く報告のない新しい発見である。その着色箇所を鋭意分析調査したところ、蛍光体層で吸収しきれなかった励起光のキセノンエキシマ発光であるＶＵＶ光（１７２ｎｍ）が、発光管まで到達したことにより、カラーセンターが生じて、発光管に使用したガラスの着色が発生したものであることがわかった。

そして、この着色がガラスに生じることで、外部電極型希ガス蛍光ランプを１０００時間を越える長時間に亘り点灯した場合には、輝度維持率の低下が生じてしまうことが判明した。そこで、本発明の目的は、長時間点灯しても発光管に着色が生じることが抑制され、輝度維持率の低下も抑制される、液晶表示装置のバックライトなどに好適に適用可能な外部電極型希ガス蛍光ランプを提供することにある。

本発明においては次の手段により課題を解決する。すなわち、第一の手段として、請求項1に記載の発明は、発光管の内部に蛍光体層を備え、該発光管の外表面に一対の帯状の外部電極を該発光管軸方向に形成しており、該発光管内に主にキセノンガスからなる希ガスを封入してなる外部電極型希ガス蛍光ランプにおいて、該蛍光体層と該発光管の間に、真空紫外光の透過を抑制し同光を反射する機能を有する誘電体層を備えたことを特徴とする外部電極型希ガス蛍光ランプとするものである。

第二の手段として、請求項２に記載の発明は、前記蛍光体層の厚みは１３〜２０μｍであり、前記誘電体層の厚みは該蛍光体層の厚みより薄いことを特徴とする請求項1に記載の外部電極型希ガス蛍光ランプとするものである。

第三の手段として、請求項３に記載の発明は、前記誘電体層を構成する材料は、シリカもしくは酸化マグネシウム、酸化アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の外部電極型希ガス蛍光ランプとするものである。

第四の手段として、請求項４に記載の発明は、発光管の外表面に一対の帯状の外部電極を該発光管軸方向に形成しており、該発光管内に主にキセノンガスからなる希ガスを封入してなる外部電極型希ガス蛍光ランプにおいて、該発光管の内部に、蛍光体材料と真空紫外光の透過を抑制し同光を反射する機能を有する誘電体材料との混合層が備わったことを特徴とする外部電極型希ガス蛍光ランプとするものである。

第五の手段として、請求項５に記載の発明は、前記誘電体材料は、酸化マグネシウムを主成分としてなり、蛍光体材料に対して２〜１０ｖｏｌ％で混合したものであることを特徴とする請求項４に記載の外部電極型希ガス蛍光ランプとするものである。

なお、本発明において、「主成分とは」該当する成分が50％以上の割合で含有されていることをいう。ゆえに単体も含める意味である。

本発明によれば、発光管の内部に真空紫外光の透過を抑制し同光を反射する機能を有する誘電体層を備えたことによって、長時間に亘り点灯しても発光管に着色現象が生じず、輝度維持率の低下も生じない外部電極型希ガス蛍光ランプとすることができる。

本発明においては、発光効率を上げるために励起光である波長１７２ｎｍの真空紫外光を、蛍光体層の厚みより薄い誘電体層によって蛍光体層に戻すことで、有効利用を図るとともに、発光管外部への放射が必要な可視光が誘電体層を形成する物質により減衰することを抑えることができる。

図１に本発明の外部電極型希ガス蛍光ランプの全体図および管軸に垂直な面でＡ−Ａの位置にて切った断面図を示す。本発明の外部電極型希ガス蛍光ランプ１は、発光管２内面に蛍光体層３を備え、発光管２外表面に一対の電極４１、４２を発光管軸方向に形成しており、発光管２内に主にキセノンガスからなる希ガスを４×１０³〜４０×１０³Ｐａの範囲で封入してなり、発光管２内面と蛍光体層３の間に蛍光体層３を構成する材料以外の材料で構成される、波長１７２ｎｍの真空紫外光を反射するとともに、主に波長４００乃至７００ｎｍの可視光を透過する誘電体層５を有する。

図２は本発明の別の実施形態として、外部電極型希ガス蛍光ランプの管軸に垂直な面で切った断面図のみで示したものである。この実施形態においては、発光管２内面に蛍光体材料と誘電体材料を混合した混合層６を備え、発光管２外表面に一対の電極４１、４２を発光管軸方向に形成しており、発光管２内に主にキセノンガスからなる希ガスを封入してなる。

ここで、外部電極である電極４１、４２は、基本的にその形状は帯状である。この「帯状」の意味は、外部電極の厚みに対して、外部電極幅がその数値が１桁以上大きい長さの幅で形成している形態についていう。また、帯の模様や形状についても様々な形態が取れるが、発光管外表面の基本的に軸方向に沿った導電膜を形成している形状についても帯状として表現する。

外部電極を銀ペーストにより構成する場合は、スクリーン印刷により形成し、大気中たとえば５００℃にて焼成して焼き付け使用する。なお、外部電極を金属箔により構成する場合もあるが、その場合は短冊状の箔の片側の面に接着層を形成して発光管外表面に貼付する。

加えて、外部電極表面を保護することを主な目的として、フリットガラス層７１、７２ を被覆焼成し発光管ガラス表面に密着させる。なお、発光管２の材質は、蛍光体粒子径や層厚みの相対的な関係について、影響を与えないので、ソーダ石灰ガラス、アルミノ珪酸ガラス、硼珪酸ガラスなどが使用できる。

外部電極への電力供給は、ランプの片側に給電用金属端子１０を導電性接着剤１１により接着し、これを熱収縮チューブ１２で固定することにより給電部を形成する。
外部電極と金属端子との接続においては、銀ペーストによって接着し、その外周に熱収縮チューブ１２を配置して加熱することで圧縮、押圧して固定するか、半田付けなどで直接接合することができる。

図１で示した構造において、本発明の外部電極型希ガス蛍光ランプ１の具体的実施例を次に示す。発光管２は材質がソーダ石灰ガラスであり、管外径はφ９．８ｍｍ、肉厚０．４ｍｍ、全長４００ｍｍである。

誘電体層５は、波長１７２ｎｍの真空紫外光を反射するとともに、４００乃至７００ｎｍの可視光を透過する特性を有する材料として、石英ガラス（＝シリカ）、酸化マグネシウムの何れかを主成分とする材料粒子を、発光管内面に塗布し乾燥させる。その主成分たる材料粒子の平均粒子径は１〜５μｍである。ここで、平均粒子径とは画像解析法から求めた円面積相当径のことをいう。また、平均層厚みは１〜１３μｍである。ここで、平均層厚みとは、発光管内面の誘電体厚みをデジタルマイクロスコープにより拡大した複数の任意の測定点について、測定を行い、平均の厚みを求めた数値のことをいう。

蛍光体層３は、誘電体層５を形成後、この誘電体層５の上に塗布および乾燥させて形成した。蛍光体材料としては、青色蛍光体はＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕであり、緑色蛍光体はＬａＰＯ_４：Ｃｅ、Ｔｂであり、赤色蛍光体は（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｅｕ または Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕである。その平均厚みは１３〜２０μｍであり、この蛍光体厚みの１３〜２０μｍは従来からの液晶表示装置のバックライト用の冷陰極蛍光ランプと同等である。蛍光体の平均厚みとは、発光管内面の蛍光体厚みをデジタルマイクロスコープにより拡大した複数の任意の測定点について、測定を行い、平均の厚みを求めた数値のことをいう。蛍光体材料の平均粒子径は３〜５μｍである。この平均粒子径とは画像解析法から求めた円面積相当径のことをいう。

次に電極は、材質としては銀ペーストであり、電極幅は０．５ｍｍ、電極長さは３５０ｍｍ、電極厚みは５μｍである。封入ガスは主にキセノンガスを１４ｋＰａ（２５℃換算）封入している。

本発明の誘電体材料として適する材質を検証するため、外部電極型希ガス蛍光ランプを、誘電体層の材質のみを変えて作製し、ランプからの光の発光効率を比較測定した。

誘電体層の材質として、石英ガラス、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）結晶質を選定し、それぞれ１０本のランプを作製した。誘電体層を構成する各材料の粒子径は2μｍ〜10μｍの粒度分布であり、中心粒子径は5μｍである。誘電体層の平均厚みは約５μｍである。粒子径の測定方法は画像解析法でおこなった。粒度分布とは個数を表示した頻度分布である。中心粒子径とは個数を表示した頻度分布の最頻粒子径である。また、誘電体層の平均厚み（これは発光管内面の蛍光体厚みをデジタルマイクロスコープにより拡大した複数の任意の測定点について、測定を行い、平均した厚みのことであるが、）は約２μｍであった。当該誘電体層の波長４００〜７００ｎｍ域の可視光透過率は、石英ガラス（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、石英（ＳｉＯ_２）結晶質はいずれも９０％以上であった。

なお、発光効率の測定は、図７に示すような配置でおこなった。図７の測定系で外部電極型希ガス蛍光ランプ１の長手方向中央部分の管央部表面に輝度計９の照準を当て輝度を測定した。電源１３への入力電圧Ｖ、電流Ａを測定する。ランプの輝度から光束を計算し、その光束を点灯電源への入力電力（電圧×電流）で除した商が発光効率である。本願で言う発光効率とは、ランプ入力電力当りのランプからの同一色度における発生光束のことをいう。

本発明において、発光効率を評価の指標として採用した理由は、ランプ毎に蛍光体層や誘電体層の材質および厚みのばらつきにより電気特性としての容量特性がランプ個々に異なる理由で入力の違いを生じるために、入力電力で規格化したためである。

ランプの点灯条件は周波数５０ｋＨｚ、電力２０Ｗ／ｍである。点灯時間は、１０００ｈである。測定の結果は図3に示すが、誘電体膜を発光管と蛍光体層の間に具えない場合の発光効率を１００とした場合、ＳｉＯ_２ガラスおよびＭｇＯのときに発光管の着色現象が起きず、ＳｉＯ_２ガラスでは、発光効率が１０２、すなわち２％の発光効率アップが確認され、ＭｇＯでは、発光効率が１０３であり、３％の発光効率アップが確認された。

１０００時間を越える長時間点灯において、バルブ内面の材料の配置を改良することで、発光管の着色も生じることなく、２〜３％の発光効率アップをも達成できることは外部電極型希ガス蛍光ランプを液晶表示装置のバックライト用途としては使用する上では画期的な効果であるといえる。

ＳｉＯ_２結晶質を使用すると逆に発光効率が低くなることが分かった。また、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を使用しても、発光効率が低くなることが分かった。これは、Ｙ_２Ｏ_３やＺｒＯ_２は波長１７２ｎｍの真空紫外光を反射する性質が弱いためと考えられた。

さらに誘電体材料の層厚みを変えて実験した。誘電体材料としてＳｉＯ_２ガラス粒子を用い、平均層厚み １、２、３、１１μmと４種類変えて、中心粒子径１μｍは同じとしてランプを5本づつ用意し、発光効率を測定した。図４にその5本の平均の測定結果を示す。１μｍ、２μｍの厚みにおいて、誘電体層を発光管と蛍光体層の間に具えない場合の発光効率を１００としたときに、１０２となり、発光効率アップが見られた。

次に、誘電体材料としてＭｇＯについて、平均層厚みを２、４、８、１１μmと４種類変えて、中心粒子径１μｍは同じとして発光効率を測定した。その結果、２μm、４μｍにおいて１０３となり、８μｍの厚みにおいて発光効率は１０４となった。

なお、αアルミナ（αＡｌ_２Ｏ_３）も４、８、１３μmと３種類変えて、中心粒子径１μｍは同じとして発光効率を測定した。その結果、８μmの厚みにおいて、発光効率は１０１となり発光効率の改善が見られた。

さらに、上記誘電体層をＳｉＯ_２ガラスとＭｇＯの混合物として、濃度比を変えてランプを5本づつ用意し、発光効率を測定した。この場合、層厚み５μｍで略一定としている。結果は、誘電体膜を発光管と蛍光体層の間に具えない場合の輝度を１００とした場合、ＭｇＯの濃度を増やしていくにつれて、発光効率は増加し、２０ｗｔ％でほぼ１００となり、８０ｗｔ％で発光効率は１０３となり３％上昇した。

また、外部電極希ガス蛍光ランプの発光管内面に、蛍光体材料と真空紫外光の透過を抑制し同光を反射する機能を有する誘電体材料との混合層を形成した場合の発光効率について測定を行った。この場合、上記で用いたのと誘電体材料のうちＳｉＯ_２（平均粒子径１μｍ）と、ＭｇＯ(平均粒子径４μｍ)、αＡｌ_２Ｏ_３（平均粒子径５μｍ）をそれぞれ、別々に、蛍光体層に混合した。混合割合は、ＳｉＯ_２が２、１１、２１ｖｏｌ％、ＭｇＯが７、１０、１４ｖｏｌ％、αＡｌ_２Ｏ_３が６、１１ｖｏｌ％である。

その測定結果を図６に示すが、酸化マグネシウムＭｇＯのみについて、発光効率の向上が見られ、２ｖｏｌ％および１０ｖｏｌ％で１０１となり１％の向上が見られ、７ｖｏｌ％において発光効率は１０１．５となり１．５％の向上であった。ＳｉＯ_２とαＡｌ_２Ｏ_３については効果が見られなかった。

本発明の外部電極希ガス蛍光ランプの実施形態の概略図を示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の他の実施形態における外部電極希ガス蛍光ランプの断面図を示す。 本発明における誘電体層の平均層厚みと発光効率の関係を示す。 誘電体層の厚みと発光効率の関係を示す。 誘電体層が混合層の場合の発光効率を示す。 蛍光体材料と誘電体材料の混合層の場合の発光効率を示す。 評価指標としての発光効率の測定系を示す。

符号の説明

１ 外部電極型希ガス蛍光ランプ
２ 発光管
３ 蛍光体層
５ 誘電体層
６ 混合層
９ 輝度計
１０ 給電用金属端子
１１ 導電性接着剤
１２ 熱収縮チューブ
１３ 点灯電源
４１ 電極
４２ 電極
７１ フリットガラス層
７２ フリットガラス層

Claims (5)

1. 発光管の内部に蛍光体層を備え、該発光管の外表面に一対の帯状の外部電極を該発光管軸方向に形成しており、該発光管内に主にキセノンガスからなる希ガスを封入してなる外部電極型希ガス蛍光ランプにおいて、
   該蛍光体層と該発光管の間に、真空紫外光の透過を抑制し同光を反射する機能を有する誘電体層を備えたことを特徴とする外部電極型希ガス蛍光ランプ。
2. 前記蛍光体層の厚みは１３〜２０μｍであり、前記誘電体層の厚みは該蛍光体層の厚みより薄いことを特徴とする請求項1に記載の外部電極型希ガス蛍光ランプ。
3. 前記誘電体層を構成する材料は、シリカもしくは酸化マグネシウム、酸化アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の外部電極型希ガス蛍光ランプ。
4. 発光管の外表面に一対の帯状の外部電極を該発光管軸方向に形成しており、該発光管内に主にキセノンガスからなる希ガスを封入してなる外部電極型希ガス蛍光ランプにおいて、
   該発光管の内部に、蛍光体材料と真空紫外光の透過を抑制し同光を反射する機能を有する誘電体材料との混合層が備わったことを特徴とする外部電極型希ガス蛍光ランプ。
5. 前記誘電体材料は、酸化マグネシウムを主成分としてなり、蛍光体材料に対して２〜１０ｖｏｌ％で混合したものであることを特徴とする請求項４に記載の外部電極型希ガス蛍光ランプ。

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