JP4347353B2

JP4347353B2 - 冷陰極蛍光ランプ及びその製造方法

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Publication number: JP4347353B2
Application number: JP2007039532A
Authority: JP
Inventors: 俊和杉村
Original assignee: NEC Lighting Ltd
Current assignee: Hotalux Ltd
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2027-02-20
Also published as: KR20080077590A; CN101252075A; JP2008204803A; TW200836236A

Description

本発明は、冷陰極蛍光ランプやその製造方法に関し、より詳しくは、長寿命化を図った冷陰極蛍光ランプやその製造方法に関する。

液晶表示装置のバックライト、ファクシミリ等の読み取り用光源、複写機のイレーサー用光源、各種表示等として冷陰極蛍光ランプが、高輝度、高演色性、長寿命、低消費電力性等に優れることから、多用されている。この種の冷陰極蛍光ランプにおいては、内部に希ガスと水銀とを気密に保持したガラス等の透明管の両端部付近に設けられる電極に電圧を印加することにより、透明管内に僅かに存在する電子を電極に衝突させて二次電子を放出させグロー放電を生起させ、これにより水銀が励起されて紫外線を放射し、これを受けた透明管の内壁に設けられる蛍光体から可視光が発光されるようになっている。

冷陰極蛍光ランプの電極としては、管電圧と消費電力の低減を図ることができるカップ形状のものが使用され、カップ形状の開口が相互に対向するようにそれぞれ透明管の内部両端に配置される。電極の材質としては、溶融温度が約１２００℃と低く、加工が容易であり、水銀や希ガスのイオン等に対する耐スパッタ性に優れることから、ニッケルが用いられている。更に、耐スパッタ性を改良するため、また、スパッタされたニッケルとアマルガムの形成による水銀の消費を抑制するため、ニッケルに替えモリブデン、ニオブ等を用いたものが知られている。

例えば、電極部材がニオブ、モリブデン、タンタル、タングステンから選ばれた１種以上の金属粒子が拡散結合で互いに結合した多孔質拡散結合体で形成され、表面に０．１〜５μｍの連続的凹凸を有する冷陰極蛍光ランプ（特許文献１）が報告されている。また、電極が、タングステン、ニオブ、タンタル、モリブデン、レニウム等の金属単体又はその合金の平均粒径が１００μｍ以下の焼結体からなる冷陰極管用電極（特許文献２）が報告されている。

しかしながら、モリブデン（融点２６２２℃）やニオブ（融点１９５０℃）等は融点が高く、これらの金属を完全に溶融する加熱炉を作成することは困難である。これらの金属はそれ自体が高価であることに加え、電極作製のための高温加熱炉の作製はコスト高となるため、一般的には、これらの金属を１０００℃前後で焼結して作成したインゴット又は素線を用いて電極を作製している。しかしながら、融点以下の温度で成形されたインゴット又は素線においては、原料の粒子の境界が残存し、このようなインゴット又は素線を用いて作製した電極においては、原料の粒子の境界から選択的にスパッタが進行してしまう。このため、水銀や希ガスのイオン等に対し、充分な耐スパッタ性を有するモリブデンやニオブ製電極を、実用レベルの冷陰極蛍光ランプに適用することには問題がある。

本発明者は、既に、ニッケル又はニッケル合金を基材とし、これにチタン、ジルコニウム、ハフニウム等の脱酸素作用を有する金属を添加した材料によって形成することにより、耐スパッタ性を向上させた電極を有する冷陰極蛍光ランプを開発している（特許文献３）。この冷陰極蛍光ランプにおいては、製造工程において、電極へのリード線の接合等における加熱時に、チタン、ジルコニウム、ハフニウム等の金属原子が先行して酸化され、基材のニッケル又はニッケル合金の酸化を抑制し、耐スパッタ性の低下を抑制することができる。また、リード線として銅−コバール二重構造を用いる場合、低融点の電極への接合であるため低温で行うことができ、リード線から銅の流出を抑制しリード線において銅の欠損した空洞の発生を抑制することができる。このため、ランプの使用時における電極の放熱を良好に行い得るものである。また、ニッケル又はニッケル合金中においてチタン、ジルコニウム、ハフニウム等の金属の酸化物は、結晶粒界に偏析する傾向にあり、これらの金属酸化物によりニッケル又はニッケル合金の結晶粒子間の結合が強化され、電極に用いた場合、耐スパッタ性が向上される。
特開２００６−１５６１５１特開２００４−１７８８７５特開２００６−２２８６１５

本発明の課題は、電極の主成分としてニッケル又はニッケル合金を用い、耐スパッタ性に更に優れる電極を、容易に安価に製造することができ、また、銅−コバール二重構造のリード線を用いた場合でも、ランプの使用時における電極の放熱を良好に行うことができ、長寿命化を図った冷陰極蛍光ランプや、その製造方法を提供することにある。

本発明者は、鋭意研究の結果、電極が、ニッケル又はニッケル合金の平均結晶粒子径２５μｍ以下の微細組織を有することにより、耐スパッタ性に優れることの知見を得た。このようなニッケル又はニッケル合金の微細組織は、ニッケル又はニッケル合金にイットリウムを特定量を添加することにより容易に形成することができることを見い出した。かかる知見に基づき本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、内壁面に蛍光体層を有し、内部に希ガス及び水銀を保持し両端が気密に密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられた電極と、該電極を電源に接続するためのリード線とを有する冷陰極蛍光ランプにおいて、電極が平均結晶粒子径２５μｍ以下のニッケル又はニッケル合金を主成分とする微細組織を有し、該微細組織がイットリウムを０．１５質量％以上１．１質量％以下の範囲（但し、０．９質量％を除く。）で含有し、ケイ素の含有量が０．００３質量％以下であることを特徴とする冷陰極蛍光ランプに関する。

また、本発明は、内壁面に蛍光体層を有し、内部に希ガス及び水銀を保持し両端が気密に密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられた電極と、該電極を電源に接続するためのリード線とを有する冷陰極蛍光ランプを製造する際、ニッケル又はニッケル合金を主成分とする溶融物にイットリウムを０．１５質量％以上１．１質量％以下の範囲（但し、０．９質量％を除く。）で、且つ、ケイ素の含有量が０．００３質量％以下であるように混合してインゴット又は素線を作成し、これを用いて平均結晶粒子径が２５μｍ以下の微細組織を有する電極を成形することを特徴とする冷陰極蛍光ランプの製造方法に関する。

本発明の冷陰極蛍光ランプは、電極の主成分としてニッケル又はニッケル合金を用い、耐スパッタ性に更に優れる電極とし、容易に安価に製造することができ、また、銅−コバール二重構造のリード線を用いた場合でも、ランプの使用時における電極の放熱を良好に行うことができ、長寿命化を図ることができる。また、本発明の冷陰極蛍光ランプの製造方法は、耐スパッタ性に更に優れる電極を有する冷陰極蛍光ランプを容易に安価に製造することができる。

本発明の冷陰極蛍光ランプは、内壁面に蛍光体層を有し、内部に希ガス及び水銀を保持し両端が気密に密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられた電極と、該電極を電源に接続するためのリード線とを有する冷陰極蛍光ランプにおいて、電極が平均結晶粒子径２５μｍ以下のニッケル又はニッケル合金を主成分とする微細組織を有し、該微細組織がイットリウムを０．１５質量％以上１．１質量％以下の範囲（但し、０．９質量％を除く。）で含有し、ケイ素の含有量が０．００３質量％以下であることを特徴とする。

本発明の冷陰極蛍光ランプに用いる透明管としては、ケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、亜鉛ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス、ソーダガラス等のガラス製等、可視光を透過する材質であればいずれのものであってもよい。その形状としては直管型、湾曲型などいずれであってもよい。管径としては、いずれであってもよく、例えば、１．５〜６．０ｍｍ等を挙げることができる。

透明管内壁面には、ほぼ全面に亘って蛍光体層が設けられる。蛍光体層は後述する水銀により放射される紫外線により励起して可視光を発光する蛍光体を含有する。かかる蛍光体は使用目的により目的の波長を発光するものを選択することができ、具体的には、ハロリン酸塩蛍光体や希土類蛍光体等を挙げることができる。これらを適宜組み合わせて使用し、白色光を発光させることもできる。蛍光体層の厚さとしては、１１μｍ以上２８μｍ以下であることが好ましい。

透明管内には放電により紫外線を発生する水銀が導入され、アルゴン、キセノン、ネオン等から適宜選択される希ガスが導入され、透明管内で発生された放電電子が水銀原子に衝突し、水銀原子が蛍光体を励起する２５３．７ｎｍを含む紫外線を発生するようになっている。導入する水銀の蒸気圧としては、蛍光ランプの点灯時において、例えば、１〜１０Ｐａ等を挙げることができ、希ガスの圧力としては、蛍光ランプの点灯時において、例えば、５０００Ｐａ〜１１０００Ｐａ等を挙げることができる。

透明管の内部の両端に設けられる電極としては、電極が平均結晶粒子径２５μｍ以下のニッケル又はニッケル合金を主成分とする微細組織を有する。主成分としてのニッケルは、電極中において７０質量％以上含有することが好ましい。ニッケル合金としては、固溶体、金属間化合物、これらの混合物等いずれの形態のものであってもよい。ニッケル合金としては、例えば、ニッケルに、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ストロンチウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン等の何れか又はこれらを組み合わせてそれぞれ０．０１〜２質量％程度含有するものを挙げることができる。このようなニッケルを主成分として含有することにより低融点の電極とし、電極と接続する際のリード線の劣化や損傷等を抑制することができる。

更に上記電極は、イットリウムを含有することが、ニッケルの結晶粒子径を平均粒子径として２５μｍ以下の微細なものに形成することができる。イットリウムの電極中の含有量としては、０．１５質量％以上１．１質量％以下である。電極中のイットリウムの含有量がこの範囲であれば、ニッケルの結晶粒子径が上記範囲のものとなる。

また、電極中のケイ素の含有量が０．００３質量％以下である。ケイ素の含有量が０．００３質量％以下であれば、ニッケルの結晶粒子が平均粒子径２５μｍ以下の微細なものに形成される傾向を有する。

更に、ニッケルに、イットリウムの他、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、マンガン等の１種又は２種以上を組み合わせて使用して、ニッケルの結晶粒子径を平均粒子径を２５μｍ以下の微細なものに形成してもよい。これらの金属のニッケル金属中の含有量は、０．０１〜０．３質量％等とすることが、微細組織を形成することができるため、好ましい。

このような電極の微細構造としては、平均結晶粒子径が２５μｍ以下であれば、希ガスイオン等によりニッケル原子等がスパッタを受けることを抑制することができる。電極がニッケルの平均結晶粒子径が２５μｍ以下の微細組織を有する場合、結晶粒子間の結合状態が強固なものとなり、希ガスイオン等によるスパッタに対する対抗力が向上するものと思われる。電極の結晶粒子の平均粒子径は、酸によりエッチング処理した電極表面を、光学顕微鏡観察を用いた比較法により求めた粒子径から求めることができる。具体的には、（社）日本熱処理技術協会編著、大河出版発行、「入門金属材料と組織」（Ｐ１８９〜１９３）に記載される方法に準拠して、光学顕微鏡１００倍、実視野径０．８ｍｍの円、写真印画の大きさ径８０ｍｍの円において、標準図と比較してその相当する粒度番号を判定して平均粒子径を得る。例えば、粒子径２５μｍは粒度番号７、８のちょうど中間の７．５に位置することから、粒子径の平均値を得ることができる。

上記電極としては、管電圧と消費電力の低減を図ることができるため、カップ形状を有することが好ましく、カップ状の開口を相互に対向させて透明管の内部の両端部付近にそれぞれ配置したものが好ましい。カップ形状の電極を作成するには、板状のインゴットから切り出した部材を接合して作製することもできるが、円形に切り出し、プレス成形し、カップ状に形成すると、微細組織を有するものを容易に成形することができる。また、素線を所望の長さに切断し、切断面を軸方向に打ち込み凹部を形成し、カップ状に形成する、いわゆるヘッダー加工をすることにより微細組織を有するものを容易に成形することができる。カップの形状は、透明管の内径、ランプの出力により適宜選択することができるが、例えば、外径１．１〜２．７ｍｍ、長さ３〜７ｍｍ等とすることができる。

本発明の冷陰極蛍光ランプの上記電極には、電極を外部の電源と接続するためのリード線が接続される。リード線は一端が電極の底面に融着され、他端が透明管の端部を密閉するための、例えばガラスビーズ等の密閉部材を貫通して外部に突出して、設けることができる。リード線としては、密閉部材を透明管に密着する際の加熱により劣化されるのを抑制するため、耐熱性を有するものが好ましく、また、ランプの使用時の電極の熱を、透明管外部へ効率よく放熱することができるように、銅の芯線をコバールで被覆した二重構造を有するコバール線等を用いることができる。

本発明の冷陰極蛍光ランプは、蛍光体層と透明管との間に、水銀から放射される紫外線等の透明管外への漏洩を抑制するため、若しくは、水銀等による透明管の劣化を抑制するため保護層を設けてもよい。保護層としては、例えば、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化セりウム等の金属酸化物等を用いて形成することができる。

本発明の冷陰極蛍光ランプの製造方法は、内壁面に蛍光体層を有し、内部に希ガス及び水銀を保持し両端が気密に密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられた電極と、該電極を電源に接続するためのリード線とを有する冷陰極蛍光ランプを製造する際、ニッケル又はニッケル合金を主成分とする溶融物にイットリウムを０．１５質量％以上１．１質量％以下の範囲（但し、０．９質量％を除く。）で、且つ、ケイ素の含有量が０．００３質量％以下であるように混合してインゴット又は素線を作成し、これを用いて平均結晶粒子径が２５μｍ以下の微細組織を有する電極を成形することを特徴とする。

本発明の冷陰極蛍光ランプの製造方法としては、具体的には、電極を構成する上記ニッケル又はニッケル合金を主成分とする粉末状の混合物を溶融する。使用するニッケル又はニッケル合金の粒子径としては、これらを融点近傍で溶融するため、いずれの大きさのものであってもよい。この溶融物に粉末状のイットリウムを、好ましくは、全体の０．１５〜１．１質量％添加する。イットリウムの融点は１４９０℃でありニッケル溶融物中で、容易に均一に溶融される。

その後、この溶融物をインゴット成形型内に注入しインゴットとする。更に、インゴットを熱間圧延、冷間圧延により塑性加工し、厚さ０．１〜０．２ｍｍの薄板状、又は、口径１〜２．６ｍｍ等の素線とすることができる。熱間圧延、又は冷間圧延後、インゴットを焼鈍し、内部の歪を除去し展延性の向上を図り、表面研磨する。プレス成形加工することにより、あるいは、素線をヘッダー加工することにより、平均結晶粒子径が２５μｍ以下の微細組織を有する電極を得ることができる。電極にリード線を融着接続する。

透明管内壁の蛍光体層の形成は、上記蛍光体を溶媒に分散させた分散液を調製し、これを所定の形状のガラス製等の透明管の内壁面に所定の厚さに浸漬、スプレー等の方法により塗工し、乾燥して、上記厚さの蛍光体層を成形する。その後、透明管の端部に電極を配置し、リード線を貫通させて密閉部材で透明管端部を密閉して製造することができる。水銀と希ガスを透明管内へ導入することができる。

本発明の冷陰極蛍光ランプの一例として、図１に示す液晶パネルのバックライトに適用したものを例示することができる。図１の概略断面図に示す冷陰極蛍光ランプ１は、硼・珪酸ガラスによって形成されたガラス管２の両端がビードガラス３で気密に封止されて構成されている。ガラス管２の外径は、１．５〜６．０ｍｍの範囲内、好ましくは１．５〜５．０ｍｍの範囲内である。ガラス管２の内壁面４には、そのほぼ全長に亘って不図示の蛍光体層が設けられている。内壁面４で囲まれたガラス管２の内部空間５には、希ガス及び水銀が所定量導入され、内部圧力は大気圧の数十分の一程度に減圧されている。ガラス管２の長手方向両端には、図２の拡大斜視図に示すように、カップ状の電極７が、カップ状の開口部１０が対向するように配置されている。電極は、ニッケルの平均結晶粒子径が２５μｍ以下の微細構造を有する。各リード線９は、その一端が電極７の底面部８に溶接され、他端がビードガラス３を貫通してガラス管２の外部に引き出されている。

上記冷陰極蛍光ランプは、ニッケルの又はニッケル合金を主成分とする平均結晶粒子径２５μｍ以下の微細組織の電極を有するため、耐スパッタ性が著しく向上したものであり、冷陰極蛍光ランプの長寿命化が、図られる。

以下に実施例によって本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
出発原料のニッケルを溶融し、その中にイットリウムを０．７２質量％添加して均一に混合した後、この溶融物を金型に注入して冷却し、その後、熱間圧延、冷間圧延を繰り返して厚み０．２ｍｍ程度のロール材を作製した。ロール材を焼鈍し、表面研磨後、ロール材をプレス成形加工し、外径１．７ｍｍ、長さ５ｍｍのカップ形状の電極を作製した。得られた電極の底面部に口径０．８ｍｍのコバール線を溶接にて一体化した。
電極のニッケルの平均結晶粒子径を、比較法により測定した。ニッケル平均結晶粒子径は２０μｍであった。
口径２．０ｍｍのガラス管の内壁面に蛍光体を約１８μｍ塗布した。ガラス管両端にコパール線を融着した電極をその開口が相互に対向するように配置し、コパール線を貫通したガラスビーズで、ガラス管の両端を封止した。その後、水銀及び希ガスを導入し、冷陰極蛍光ランプを作成した。
得られた冷陰極蛍光ランプについて、管電流１０ｍＡにて１万時間点灯させた後、カップ部の磨耗量により耐スパッタ性の良否を観察した。電極のカップ部の磨耗量は比較例と比べ著しく少なく、この電極は優れた耐スパッタ性を有していた。

［比較例１］
電極を純Ｎｉを用い、平均結晶粒子径４５μｍとして作成した他は、実施例１と同様にして、冷陰極蛍光ランプを作成し、点灯使用した。
電極のカップ部の磨耗が認められ、耐スパッタ性能に劣っていた。

［実施例２］
実施例１と同様にして、溶融物を調製し、これを素線に延伸し、最後に焼鈍して、外径１．６ｍｍ程度のワイヤーを作製した。その後、ヘッダー加工により切断面の中央を押圧し凹部を形成し、外径１．７ｍｍ、長さ５ｍｍのカップ形状の電極を作製した。得られた電極の底面部に０．８ｍｍ径のコバール線を突合せ溶接した。電極のニッケルの平均結晶粒子径は１８μｍであった。
得られた電極を用いた他は実施例１と同様にして、冷陰極蛍光ランプを作製し、耐スパッタ性試験を行った。電極のカップ部の磨耗量は比較例と比べ著しく少なく、この電極は優れた耐スパッタ性を有していた。

［比較例２］
電極を純Ｎｉを用い、平均結晶粒子径５０μｍとして作成した他は、実施例２と同様にして、冷陰極蛍光ランプを作成し、点灯使用した。
電極のカップ部の磨耗が認められ、耐スパッタ性能に劣っていた。
平均結晶粒子径が２５μｍ以下のニッケル又はニッケル合金の微細組織を有する電極を用いた冷陰極蛍光ランプは、耐スパッタ性、耐久性に優れることが明らかである。

本発明の冷陰極蛍光ランプの一例の概略断面図を示す図である。図１に示す電極の一例の概略斜視図を示す図である。

符号の説明

１冷陰極蛍光ランプ
２ガラス管（透明管）
３ビードガラス
４内壁面
５内部空間
７電極
８底面部
９リード線
１０開口部

Claims

内壁面に蛍光体層を有し、内部に希ガス及び水銀を保持し両端が気密に密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられた電極と、該電極を電源に接続するためのリード線とを有する冷陰極蛍光ランプにおいて、電極が平均結晶粒子径２５μｍ以下のニッケル又はニッケル合金を主成分とする微細組織を有し、該微細組織がイットリウムを０．１５質量％以上１．１質量％以下の範囲（但し、０．９質量％を除く。）で含有し、ケイ素の含有量が０．００３質量％以下であることを特徴とする冷陰極蛍光ランプ。
内壁面に蛍光体層を有し、内部に希ガス及び水銀を保持し両端が気密に密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられた電極と、該電極を電源に接続するためのリード線とを有する冷陰極蛍光ランプを製造する際、ニッケル又はニッケル合金を主成分とする溶融物にイットリウムを０．１５質量％以上１．１質量％以下の範囲（但し、０．９質量％を除く。）で、且つ、ケイ素の含有量が０．００３質量％以下であるように混合してインゴット又は素線を作成し、これを用いて平均結晶粒子径が２５μｍ以下の微細組織を有する電極を成形することを特徴とする冷陰極蛍光ランプの製造方法。