WO2009081482A1

WO2009081482A1 - 外部電極蛍光放電灯管、平面型光源及び液晶表示装置

Info

Publication number: WO2009081482A1
Application number: PCT/JP2007/074829
Authority: WO
Inventors: Lyuji Ozawa
Original assignee: Daiken Chemical Co., Ltd.
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2009-07-02
Also published as: TW200929318A

Abstract

　この発明の蛍光放電灯管は、内部に放電用媒質が充填されたガラス管（９）と、当該ガラス管の内面に塗布された蛍光膜（１２）と、前記ガラス管の外壁端に形成された外部電極（８）とを備える。当該外部電極は、コイル状、リング状など種々の形状を有することができる。この蛍光放電灯管は、内部に電極がないから、構造が簡単で、製造コストを低減することができる。また、１ｍＡ以下の放電電流で、放電用媒質のガス原子を最大限に活用して放電させることができる。瞬時発光、高輝度、低消費電力、長寿命、低製造コスト、低リサイクルコストを実現できる蛍光放電灯管が提供される。

Description

外部電極蛍光放電灯管、平面型光源及び液晶表示装置

　本発明は、ガラス管の内面に塗着された蛍光体から可視光の蛍光を発光する蛍光放電灯管に関し、更に詳細には高周波電圧を電極に印加して発光する蛍光放電灯管、それを利用した平面型光源及び液晶表示装置に関する。

[従来放電灯と本発明の要約]
　従来の蛍光放電灯管は、金属電極を放電灯管内に配置した内部電極構造を採用し、挿入された陰極から電子をガス空間に取り出し、ガス放電に供していた。陰極から電子を取り出すと、電極に印加する周波数に無関係に発光に関与しない大きな陰極電圧降下が必然的にガス放電路に発生する。発光に関与しない陰極電圧降下のエネルギー損失は、点灯電力の約40 % にもなる。世界中で照明に使われる蛍光放電灯管数は膨大であり、蛍光放電灯管の点灯に無駄に費やしている電気エネルギーの節約ができれば、地球の温室効果の原因である炭酸ガスの放出を大きく減少でき、環境汚染の防御に大きく貢献する。
　本発明者はこの課題の解決に挑戦し、前記内部電極構造を使用せず、放電灯管の外部に電極を配置し、この外部電極に高周波電圧を印加することによって放電発光させる新規な蛍光放電灯を開発し、内部電極に起因する全ての前記課題を解決することに成功したものである。

[電球から蛍光放電灯管に到る歴史的背景]
　私達の生活は夜を照明する光源の発達により、眼が順応した昼間の照度と同等な照度で生活活動を夜間にまで延長している。夜間の照明に使用される光源（白熱電球）として、タングステン線を融点近くまで加熱して放出する熱放射光を利用するタングステン電球が1900年代の半ばまで主に使用されていた。タングステン電球のエネルギー変換効率（出力光エネルギー/入力電力）は0.8 %と低いが、光強度が加熱温度で変化し、製造が容易で安価な光源として現在でも広く使用されている。1950年頃から熱の放出が40^oCであり、後述するように、可視光へのエネルギー変換効率が20 %の蛍光放電灯管（管径30 mm）が普及し現在に至る。

　近年、電子産業の発達による新技術の応用として発光ダイオード（LED）を利用した光源が開発され、新光源として提起されている。LEDはIII-V族元素薄膜の多層で構成され、薄膜層に注入した電子が特定薄膜層内の正孔と再結合して発光する。問題は特定薄膜層に注入する電子の半分が発光に関与し、残りの半分の電子は非輻射遷移により熱に変換される。注入電子を増やすと発光強度は増加するが、熱の発生も比例して増加する。LEDの発光構造はタングステン電球と同類である。青色を発光する量子効率は50 %であるが、青色から白色に変換するには蛍光体粒子が必要であり、白色を得るにはストークスシフトによるエネルギー損失（約50%）が介入し、白色光へのエネルギー変換効率は25 % 前後である。LEDで実用になる輝度（単位面積当たり、毎秒10²²の光子数に相当）を得るに必要な電子（60 A cm^-2）を注入すると、LEDは200 ^oC前後に加熱する。極薄な薄膜層に形成している発光中心（不純物）は70℃以上に加熱されると、温度に比例して格子点から界面に向かって拡散を始めるので、高温度になると発光中心が薄膜層から脱出し、時間と共に発光強度は減少する。即ち寿命が短くなる。更にLEDの原料であるガリウムGaの鉱物資源が世界的に乏しく、枯渇が心配されている。その他の新規提案になる光源、例えば有機電界発光OLEDや無機電界発光ELもLEDと同種の問題を抱え、発光の構造はタングステン電球と類似で発熱を伴う。

　それに引き換え、上記したタングステン電球の問題を全然持たないのが蛍光放電灯管である。蛍光放電灯管の温度は水銀蒸気の蒸気圧 (3x10^-3 mm Hg) を制御するために40^oCに制御される。それ以上の温度には上げられない。蛍光膜で発光する蛍光体粒子中の発光中心（不純物）はこの温度前後では非常に安定で、結晶格子点から移動しない。蛍光体粒子結晶中の発光中心に変化は発生しないので、蛍光膜に原因した蛍光放電灯管の輝度の劣化は起こらない。本発明者は、蛍光放電灯管の温度を変えず、光出力のみを大幅に増強する放電機構の解明に挑戦した。即ち、放電に必要な電子供給源から供給される電子が陽イオン源の間を移動して放電を生起させるが、放電路を形成する電子の軌道が蛍光膜の物性により大きく規制される事実を明らかにし、放電路内のガス温度を40℃前後に保ちながら、ガス励起のみを最大化することに成功した。その結果、蛍光放電灯管の白色光へのエネルギー変換効率は45 %以上となった。エネルギー変換効率はLEDの約2倍である。製造単価はLEDの十分の一以下であるので、蛍光放電灯管は今後も理想的な光源として照明光源市場でLEDが対抗できない強固な地位を確保することが可能になる。

近年、地球温暖化の問題が発生し、都市部では、昼夜を問わず高層ビルの事務室や住居で電力を多量に使用する蛍光放電灯管の電力消費の低減が緊急課題の一つとなっている。蛍光放電灯管を点灯して直接に消費する電力だけでは無い。蛍光放電灯管を製造する工程に係わる蛍光放電灯管の構造を簡略化し、蛍光放電灯管の製造に費やす電力消費の減少も課題になっている。更に、最近は資源回収が重要課題になり寿命の尽きた蛍光放電灯管の回収で資源の再利用が社会的要求になっている。資源回収の問題は、蛍光放電灯管の寿命の超長期化を進めれば緩和する。

　現在、家庭や事務室で主に使用している蛍光放電灯管は、管径が 30 mmである。この蛍光放電灯管に使用する蛍光膜は、資源が豊富な素材を原料として使用する白色発光ハロ燐酸カルシウム蛍光体3Ca₃(PO₄)₂CaFCl:Sb^3+:Mn²⁺で作られ、50年余の長い間使用されている。この蛍光体を使用した時の問題は以下のようである。
（１）入力電力を増加させると蛍光膜の輝度が飽和する。
（２）管径を20 mm 以下に細くすると輝度が著しく低下し、使用できない。
（３）管径を30 mm 以上に太くすると輝度が著しく低下して使用できない。
これらの理由解明が出来ないまま半世紀が経過した。

　近年、液晶表示装置 (LCD)が普及し、LCDのバックライト(背面照明光源)が要求された。この要求に応えたのが、内径が３mm以下の蛍光放電灯管である。また、外径が10 mm の蛍光放電灯管を複数回曲げて電球と同じサイズのガラス球内部に装填して、タングステン電球と同じソケットに装着する電球型蛍光放電灯管が販売されている。この電球型蛍光放電灯管は、内部に小型点灯回路が組み込まれており、タングステン電球と取替えが容易な省電型蛍光放電灯管である。更に、外径が20 mm 径の高輝度蛍光放電灯管も商品化されている。

　勿論、前記省電型蛍光放電灯管では前記した3問題が解決されてないので、資源の豊富な安価なハロ燐酸カルシウム蛍光体は使用できない。ハロ燐酸カルシウム蛍光体の代わりに使用しているのが、地球上に存在する資源量の順位を決めるクラーク数が小さな希少資源である希土類元素を使用し、三色に個別に発光する蛍光体粉を混合して白色に発光する蛍光膜の使用である。この希土類混合蛍光体を使用すると、外径が30 mmの蛍光放電灯管でも明るく白色に発光すると同時に、内径を3 mm以下にしても、蛍光放電灯管の蛍光膜は非常に明るく（倍以上）発光する。何故、希土類混合蛍光膜のみが細管の蛍光放電灯管で非常に明るく発光するかの理由は、オーム社出版の蛍光体ハンドブック（非特許文献１）、電気学会から出版されている放電ハンドブック（非特許文献２）、更に専門学界誌に出版された論文を調べても分からない。ここに問題解決が複雑で未解決のまま放置された科学技術問題が残されている。

　高輝度で省電型でもある細管の蛍光放電灯に使用されている電子源は、50年余の間使われた熱陰極か、冷陰極である。熱陰極を使用した蛍光放電灯を英語の頭文字を取り、HCFL (hot cathode fluorescent lamp)と略し、冷陰極を使用した蛍光放電灯をCCFL (cold cathode fluorescent lamp)と略している。以後、本発明の記述もこの略号を使用する。

　HCFLとCCFLのいずれの陰極を使用しても、蛍光放電灯管には共通した大問題が解決不能として残されている。その問題は、陰極直前の決められた区間に検出される陰極電圧降下（Cathode fall voltage）である。陰極電圧降下の区間の消費電力は、蛍光放電灯管の全消費電力の40 %にもなる。電力だけではない。陰極電圧降下の区間にある蛍光膜の発光は他の部分よりも非常に暗い。陰極電圧降下の存在は 1900年代の初期から検出されていたが、現在に至るも問題が解決されていない。換言すれば、現象として周知な陰極電圧降下の基礎物理が複雑過ぎて解明の手が付けられないまま放置されている。今までに多数の観測事実の説明が与えられて来たが、そのどれもが的を射っておらず、陰極電圧降下は依然として蛍光放電灯管から取り除かれていない。地球温暖化現象が進んでいる現在、照明光源として無駄な電力を多量に使用する蛍光放電灯管の陰極電圧降下の早期除去が待たれる。本発明者はこの問題に挑戦し、完全に解決した。

　蛍光放電灯管の開発歴史は100年以上になり、蛍光放電灯管の基礎となるガス放電の研究が始まったのは1800年代の初めであったから、200年余の歴史を持つ。このように長い開発歴史と膨大な年生産量を持つ蛍光放電灯管の生産技術は、既に開発済みであると、投資家や企業経営者、更に研究者も判断している。この事実を認識した上で、本発明者は蛍光放電灯管に関与する未解決な問題の回答を探るべく、蛍光放電灯管の科学技術を基礎から再検討した。検討の結果、蛍光放電灯管の技術では、最も基本である電子の供給源と蛍光膜を構成する蛍光体粒子の物性が全然検討されていない事が分かった。それに付随して、下記の６項目が未だに科学的に解明されていないことが分かった。
（１）電子を放電路に供給する電子源
（２）陰極電圧降下の消去
（３）ガス放電の引き金となる点灯機構の解明
（４）電子の放電管内の挙動
（５）蛍光膜を構成する蛍光体粒子の特異な物性
（６）蛍光放電灯管の寿命に影響する因子

　これらの課題が残された理由の一つに、英語のdischargeは「何もない所から光を出す」という定義を有していた。放電現象を発光強度の測定で主に調べていた。英語の直訳でない日本語の用語「放電」はどのようにして付けられたのか分からない。1800年代初期に電子の存在を見つける過程で使用されたガス放電と蛍光膜上の電子軌跡を示す映像の観察はこの定義でも良かった。電子の発見後、電子の研究はガス空間での振る舞いを離れ、固体中の電子の振る舞いに移り、固体中の電子を利用した科学技術は驚異的に進歩し、現在の複雑で精巧であり高性能な半導体を初めとする電子素子を開発した。理由は不明であるが、放電関係のみが初期定義の誤りを正すこと無く現在に至る。

　この状態を打破する新規電子源を開発し、陰極電圧降下の無い放電路を蛍光放電灯管に実現する必要がある。この解決のためには、下記の２条件を見つけだすことが重要になる。
（１）10ミリ秒前後で蛍光膜全面がほぼ同時点灯する条件
（２）更に蛍光放電灯管内に含まれる放電ガスを放電に関与する最小限の電子により最大限に発光させる条件
　後述するように、本発明者は、蛍光膜の単位面積当たり２倍以上の高輝度に発光する超省電型蛍光放電灯管を開発した。開発した蛍光放電灯管の可視光へのエネルギー変換効率は非常に高く（約50%）、発光に無駄な熱の発生を伴わない。最近の投資家により騒がれているLED光源は入力電力の半分が熱に変換される結果、稼働寿命が短く、可視光へのエネルギー変換効率は25 % である。この理由で、2006年に富士経済社が纏めた2010年の予測市場は、LEDは宣伝の多さに比し11億円であるが、現在のCCFLの市場予測は3,995億円で400倍と圧倒的に多い。開発した蛍光放電灯管は、現在のCCFLよりも技術性能でも、経済効果でも、使用者の利便性でも大幅に向上するので、年間4,000億円CCFL 市場を席巻できる。LEDの性能は、製品としては新規であるが、本発明になる蛍光放電灯管と比較にならず、最適な将来の照明光源は蛍光放電灯管になる。

[本発明に到る経過と本発明の概説]
　気圧が数mmHgにある任意のガスを含んだ排気中のガラス管や、真空封止した放電灯管に、真空度をテストする目的で、高電圧且つ高周波を発するテスラーコイルを近づけると、テスラーコイルが接触したガラス管の接点周辺において、ガラス管内のガスが放電する現象は1800年代から知られていた。蛍光放電灯が開発された後でも、高電圧にある高周波の一本の細電線を放電管外壁に近づけるか外壁に接触させると、細電線が接触した部分のガラス管内のガスが限定した小範囲で弱く放電する現象も古くから観測されていた。更に、強力なレーダーを使用する軍事基地周辺の限られた住居範囲では、蛍光放電灯が電源を入れなくても弱い強度で発光する現象も観測されていた。上記した観測等は、不思議な放電現象と認識されたが、放電管の発光が弱く、しかもその発光は放電灯管の局所領域に限定されていたので、実用的には蛍光放電灯管全体の輝度を明るく点灯できないと考え、開発の試みの報告は皆無であった。

　本発明者は上記発光が弱い理由を次ぎの様に考察した。上記した放電現象では、高周波電源の単極だけが放電灯管に接続されていたので、高周波電界によるイオン化で発生した自由電子が印加電界で拡散できるガス空間の局所範囲に局在化され、その局所範囲にのみ放電が限定される。前記放電を放電管全域に拡大するには、イオン化による自由電子がガス空間の広い範囲に移動できるようにする必要がある。試行錯誤を繰り返した結果、高周波電源の両端子に細電線を接続し、この２本の細電線を分離した状態で放電管外壁の異なった２箇所に巻き付ける（接触又は接着だけでもよい）と、ガス放電が２巻線箇所の間の放電管内で発生し、２巻線間の全域で発光する現象を発見するに到った。前記２巻線の間隔を拡大すると発光空間は拡大し、２巻線を放電管の両端に配置すると、放電管の全域で発光することを発見するに到ったものである。放電管外壁の前記２巻線は放電管の外壁に巻き付けられた外部電極に過ぎず、放電管内で放電ガスと直接接触する内部電極に電圧を印加する必要は全く無い。

　ガラス管に巻き付ける細電線は、裸電線でも被覆電線を使用しても効果は変わらない。高周波電源から引き出した細電線の巻数を増やすと、放電による発光強度はやや増加する傾向を示す。この方式を使用すれば、従来のように、ガス放電を生起させるために、放電管内に配置された内部電極から放電灯管内に電子を注入する必要は全くない。細電線の巻線はコイルであり、コイル状外部電極と称することができる。しかも、蛍光放電灯管の表面は殆んど発熱していないことが確認され、高周波電力も従来電力の１/２～１/５に済む。しかも、前記２巻線は、蛍光放電灯管の両端部に分離切断状態で巻回されるだけであるから、中間部には巻線は全く存在せず、蛍光放電灯管のほぼ全外壁面は開放されて細電線が照明効果を邪魔することはない。従来、無電極蛍光放電灯管として、誘導コイルを蛍光放電灯管に巻き付けたり、蛍光放電灯管の近傍に配置したりする点灯方式が見られるが、誘導コイルが蛍光放電灯管の外周面を邪魔し、誘導コイルの存在による照明効果の低減が課題となっていた。本発明は、この誘導コイル方式を全く放棄し、蛍光放電灯管の中間部を全く開放した状態で、両端部に外部電極を配置し、この外部電極間に高周波電圧を印加して、外部電極間に電磁波を発生させ、この電磁波により放電発光を駆動することに成功したものである。

　本発明者は、他形状の外部電極を検討した。前記細電線をガラス管に巻いた後、半田付けによりリング状外部電極にした。高周波電源の両端子に細電線を接続してリング状電極を形成し、ガラス管の両端に前記リング状外部電極を外嵌した。リング状外部電極間に高周波電圧を印加すると、蛍光放電灯管の全面発光が観察された。更に、他形状の外部電極として、高周波電源の両端子に接続された細電線の自由端をガラス管の両端の外壁面に点接触させて点状外部電極にした。ガラス管両端の点状外部電極間に高周波電圧を印加すると、蛍光放電灯管の発光が観察された。更に、ガラス管両端の外壁面に銀ペースト膜を塗着し、この銀ペースト膜に前記細電線の自由端を埋設させ、乾燥させて銀薄膜の外部電極を形成した。この小面積外部電極間に高周波電圧を印加すると、蛍光放電灯管の発光が観察された。これらの外部電極を使用しても、蛍光放電灯管の表面は殆んど発熱していないことが確認され、高周波電力も従来電力の１/２～１/５に済む。以上の実験事実は、コイル状外部電極、リング状外部電極、点状外部電極、小面積外部電極に共通した現象である。

　多数本の蛍光放電灯管を同時発光させる実験を行った。１０本の蛍光放電灯管の両端を揃えて並列に平面配置した。高周波電源の両端に接続された２本の細電線を前記蛍光放電灯管の両端にガラス管と直交させて配置した。即ち、１本の細電線が１０本の蛍光放電灯管の端部を通過する。細電線とガラス管とは固定せず、細電線は浮いた状態にある。この状態で、高周波電圧を印加すると、１０本の蛍光放電灯管が全て発光することが確認された。しかも、消費される高周波電力は、１本の蛍光放電灯管でも１０本の蛍光放電灯管でも殆んど変化しないことが確認された。この場合のエネルギー収支は今後、詳細に検討される必要があるが、低電力で多数本を同時発光させる新規な点灯方式であることは間違いない。

　本発明の外部電極による点灯機構について、現段階で、本発明者は次のように考えている。ガラス管内には、放電ガスとしてＡｒガスとＨｇ滴が存在する。高周波電圧が外部電極間に印加されると、外部電極間のガラス管内に電磁波が発生し、この電磁波によりＡｒガスがイオン化されてＡｒ^＋とｅ^－が生成される。外部電極からの電子注入は全く存在せず、電子は全て放電ガスのイオン化により調達される。従来蛍光放電灯管における電極からの電子放出とは全く異なる。また、前記電磁波を水銀滴が吸収すると、Ｈｇ滴が部分的に蒸発してＨｇガスが生成される。外部電極の陽極近傍のガラス管内にはｅ^－が集積して電子供給源となり、陰極近傍のガラス管内にはＡｒ^＋が集積して陽イオン源となる。ガラス管の内壁面の全面には蛍光膜が形成されている。高周波電圧によりｅ^－が陽イオン源に向かって加速する過程で、電子はＨｇ原子と衝突し、Ｈｇ原子を励起して水銀励起種であるＨｇ^＊が生成される。このＨｇ^＊が基底状態のＨｇに遷移する過程で紫外線が発生し、この紫外線が蛍光膜を照射して、可視光がガラス管外に放射される。外部電極間の電磁波は効率的にＡｒのイオン化と水銀蒸発に消費され、ガラス管の加熱には消費され難い。これがガラス管が加熱され難い理由と考えられ、従来蛍光放電灯管とは全く異なる現象である。上述した機構は、現段階では推論であり、今後の詳細な研究により明確になると思われる。

　即ち、本発明方式では、放電灯管内に内部電極（陰極電極と陽極電極）を設置する必要が無くなる。内部電極が存在しないから、内部電極から電子は供給されない。ガス放電に必要な電子は放電ガスのイオン化によりガス空間内で調達され、この電子が陽イオン源に向かって加速され、陽イオンと会合してガス空間内で閉回路を形成する。従って、この内部放電回路は外部の高周波電源回路とは全く分離して存在し、両回路間での電子移動は完全に遮断され、両回路は独立して存在する。高周波電源の外部電極を接触させるガラス管の外壁２箇所の距離を任意に変化させても放電に必要な電流値は変わらないので、放電灯管内での放電による発光強度も変わらず、放電距離のみが外部電極の電極間距離により任意に変わる。例えば、コイル状外部電極を同一放電灯管外壁で10 cmから100 cmの範囲で任意に変えても放電管からの輝度は変わらず、放電長のみが変化する。放電灯管に電気絶縁体粒子（蛍光体粒子を含む概念）が塗布されていないと、ガス放電は発生しない。放電灯内壁面に電気絶縁体粒子の塗布が必要条件である。

　本発明者は上記した観察結果より、放電管内に放電が容易に起こる適量のアルゴン (Ar) ガスと水銀 (Hg) 滴を導入し、放電管両端部の外壁面に外部電極を配置し、この外部電極間に高周波電源を接続し、前記放電灯管の内壁面に蛍光体粒子を適度の厚さで塗布した構造からなる新規蛍光放電灯管を発明した。また、前記蛍光体粒子はArガスとHg蒸気の励起で放電する254 nm紫外線で発光する特性を有し、前記外部電極間に高周波電圧を印加して、放電管の内部全域に高輝度発光を実現する駆動方法を発明した。蛍光体粒子は良い電気絶縁体粒子である。本発明になる蛍光放電灯管は内部電極を使用しないから、放電路から陰極電圧降下は完全に消失する。その結果、本発明になる蛍光放電灯管の点灯に要する電力は、従来の内部陰極電極を設置した蛍光放電灯管の電力消費より半減する。消費電力のみを半減した高輝度な節電型蛍光放電灯を開発することに成功した。発明した蛍光放電灯管内には、Arガス、水銀蒸気、蛍光膜以外に何も含まれていないので、蛍光放電灯の点灯寿命を阻害する因子は皆無であり、蛍光放電灯は超長寿命（初期輝度を600,000時間以上保持）である。

　ガラス管外壁に配置する外部電極には、前述したように種々構造の外部電極が採用でき、例えばコイル状外部電極、リング状外部電極、点状外部電極、小面積外部電極などがある。これらの外部電極を細電線から組立るのは誤差が大きくなるから、ソケット内に前記外部電極を組み付け、前記ソケットをガラス管の両端に装着する構成が好ましい。特に、誤差を小さくするには、蛍光放電灯管外壁に導電性薄膜を接着させる方式が良い。それには以下の方法が採用できる。内部電極を有さない蛍光放電灯管のガラス管外壁の両端に、適度の幅の薄膜電極を外付すれば、この薄膜電極が外部電極になり、極めて簡単な構造からなる蛍光放電灯管を構成できる。

　前記蛍光放電灯管の作動を説明する。ガラス管外壁の両外部電極に高周波電源を接続すると、ガラス管外壁の外部電極面に対応する蛍光膜面にある蛍光体粒子に誘電分極が生起し、誘電分極の電位は電極電位よりも数倍高い。管内の電極周辺のガス原子は外部電極からの高周波によりイオン化する。外部電極が陽極なら、高誘電性を有する蛍光体粒子は－＋に誘電分極し、表面の正分極電荷の周辺にはイオン化により生成した電子が集積して、ガス放電に必要な電子源が形成される。逆に、外部電極が陰極なら、同じ理由によりその周辺には陽イオン源が形成される。ガスの放電は電子源とイオン源間の電子移動で発生する。本発明に係る蛍光放電灯管の構造は非常に簡単であり、製造工程を簡略化できるので製造単価が大幅に減少する。更に、本発明になる蛍光放電灯管内には放電灯管の寿命を阻害する因子は存在しないので、超長寿命である。その結果、寿命の尽きた資源回収サイクルを現在の2年前後を10倍の20年以上と長くし、資源節約と資源回収に要するエネルギーを節約し、大気汚染の原因になるCO₂の発生を減少させる蛍光放電灯管を提供できる。

　前述のように、陰極電圧降下の消去により大幅なエネルギー節減が可能になる。本発明に係る外部電極方式は、地球上で埋蔵資源が少ない高価な混合希土類蛍光体の使用に替わり、資源の豊富なハロリン酸カルシウム蛍光体の使用を管径の大小を問わずに可能とする。従って、一般照明に使用される蛍光放電灯管の蛍光体材料の資源節約を実現できる。

　資源節約だけではない。実用蛍光放電灯管の研究で50余年間、科学的な解析が困難とされた蛍光放電灯の点灯速度を「ミクロなガス放電の点灯装置」を発明し、蛍光膜全面に均一にミクロなガス放電の点灯装置を配分し、蛍光膜全域が10ミリ秒以下の速度で点灯できるようにした。ＰＬ蛍光体粒子（光発光蛍光体）は表面に負電荷を一般的に有している。他方、ＣＬ蛍光体粒子（電子線発光蛍光体）は一般的に表面電荷を有していない。ガラス管内面に塗着された蛍光膜表面のガラス管軸方向に、ＣＬ蛍光体粒子とＰＬ蛍光体粒子を交互に多数分散して配置させる。電子源からイオン源に向かって伝導する電子は、表面電荷の無いＣＬ蛍光体表面を散乱無く走行するが、ＰＬ蛍光体に遭遇するとその表面負電荷により散乱されてガス空間に強制的に曲げられる。曲げられると、Ｈｇ原子と衝突して紫外線を放射する。多数のＣＬ蛍光体領域が存在すると、多数点で伝導電子は曲げられ、Ｈｇ原子との衝突により紫外線放射が起こり、ガラス管の全領域で急速に点灯することが可能になる。このような高速点灯が可能な蛍光放電灯管を平面に配列して出来る平面型照明光源の点灯電力は、単独でまたは複数個を集めて眼の残像効果よりも短い時間で順次点灯すると、平面型照明光源の点灯電力は大幅に減少する。上述したように、本発明は使用者の利益になる全面が瞬時に点灯する新規構造からなる蛍光膜を内蔵した蛍光放電灯管をも提供する。

　上記現象を更に詳細に説明する。従来解析が困難とされた蛍光放電灯管内の放電機構が解明された。巨視的に見た場合、蛍光放電灯管のガス放電は陽光柱内のガス原子の発光で起こっているが、本発明者は以下に述べる微視的現象が陽光柱の直径を制御している事実を発見した。陽光柱内でガス原子と非弾性衝突した電子は瞬時の間、無作為方向に散乱する。蛍光膜近傍で発生した散乱電子が従来の蛍光膜に照射されると、蛍光体粒子表面に表面結合電子が形成する。従来の蛍光膜はＰＬ蛍光体粒子で形成されているため、一般的に表面に負電荷を有している。蛍光膜に接近する後続の散乱電子は、表面結合電子の負電荷によるクーロン反発力で陽光柱の中央に押し返される。その結果、陽光柱の直径が減少し、発光原子数が減少する。従来の蛍光放電灯管の放電には表面結合電子の弊害が存在し、蛍光放電灯管の蛍光膜の輝度を規制していた。本発明者は上記した弊害の解決策を発見した。ガス原子と非弾性衝突した散乱電子の運動エネルギーに相当する低電圧の電子線で発光するCL蛍光体粒子を光発光（PL）蛍光膜上に散布する方法を採用すれば、表面結合電子の形成が無くなり、陽光柱の直径は蛍光膜まで広がる。その理由は前述した通りである。その結果、蛍光放電灯管の光出力が10 %程度増加する。更に、上記した蛍光膜を使用すると、蛍光放電灯管の管径による規制がなくなり、管径が50 mmから1 mmまでにある蛍光放電灯管が製造できる。製造した蛍光放電灯管は消費電力は半減しても、現在市場に出荷されている同管径の蛍光放電灯管よりも１0%以上明るく発光する。上述したように、今まで解明が出来なかった放電機構の解明により、蛍光放電灯管の蛍光膜に、今まで誰も考え付かなかった特定のＣＬ蛍光体を適度な割合で蛍光膜全域に散布した新規の蛍光膜からなる蛍光放電灯管を提供する。

蛍光体ハンドブック、蛍光体同学会編、オーム社（1987）放電ハンドブック、電気学会編、オーム社（1998）

　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、ガラス管内部に内部電極を配置し、この内部電極から放電空間に電子を放出して放電発光させているために、内部電極の消耗や電極成分のガラス管内面へのスパッタリングの問題が存在する。第２に、内部電極からの電子放出により陰極電圧降下が生起し、投入電力を無駄に消耗させている。第３に、ガス放電の引き金となる点灯機構が具体的に解明されていない。第４に、電子の放電管内における挙動が不明確である。第５に、蛍光放電灯管の寿命に影響する因子が曖昧なまま放置されている。第６に、蛍光膜を構成する蛍光体粒子の物性が未解明である。特に、蛍光膜として、白色発光ハロ燐酸カルシウム蛍光体が使用されたとき、次の３種類の問題がある。即ち、第７に、入力電力を増加させると蛍光膜の輝度が飽和する。第８に、管径を20 mm 以下に細くすると輝度が著しく低下し、使用できない。第９に、管径を30 mm 以上に太くすると輝度が著しく低下して使用できない。

　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することにより、陰極電圧降下を無くして省エネルギーに貢献でき、同時に電極の消耗を根本的に解決して、蛍光放電灯管の省エネルギー化と超寿命化を同時的に達成することである。また、本発明の他の目的は、蛍光放電灯管一本当たりの輝度を格段に向上させて、蛍光放電灯管を細管化しても十分な発光強度を実現することである。本発明の更なる目的は、前記細管を平面状に束ねた平面型光源を実現し、この平面型光源をバックライト装置（背面光源）として使用する液晶表示装置（ＬＣＤ表示装置）を提供することである。

　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、放電用媒質を充填したガラス管の両端部の外壁面に外部電極を配置し、前記外部電極に高周波電圧を印加して点灯させる蛍光放電灯管である。

　本発明の第２の形態は、前記第１形態において、前記ガラス管の前記両端部は縮径された小ガラス管から形成され、前記小ガラス管の外壁面に前記外部電極を配置した蛍光放電灯管である。

　本発明の第３の形態は、前記第１又は第２形態において、前記外部電極は前記外壁面に成膜された導電膜電極である蛍光放電灯管である。

　本発明の第４の形態は、前記第１又は第２形態において、前記外部電極は前記外壁面に形成されたコイル状電極、リング状電極、点状電極又は小面積電極である蛍光放電灯管である。

　本発明の第５の形態は、前記第１～第４形態のいずれかにおいて、前記ガラス管の内壁面に蛍光膜が塗着され、しかも前記外部電極に対向した位置であって前記ガラス管の前記両端部の内壁面にも、前記蛍光膜が塗着されている蛍光放電灯管である。

　本発明の第６の形態は、前記第５形態において、前記蛍光膜の表面において、ガラス管軸方向に、ＰＬ蛍光体粒子とＣＬ蛍光体粒子が交互に分散配置されている蛍光放電灯管である。

　本発明の第７の形態は、前記第６形態において、前記蛍光膜が、ハロ燐酸カルシウム白色発光ＰＬ蛍光体粉と電子線照射下で白色発光するＣＬ蛍光体粉の混合粉から形成される蛍光放電灯管である。

　本発明の第８の形態は、前記第６形態において、前記蛍光膜が、希土類ＰＬ蛍光体粉とＺｎＯからなるＣＬ蛍光体粉の混合粉から形成される蛍光放電灯管である。

　本発明の第９の形態は、前記第１～第８形態のいずれかにおいて、前記高周波電圧がパルス高周波電圧である蛍光放電灯管である。

　本発明の第１０の形態は、前記第１～第８形態のいずれかの蛍光放電灯管の複数本を平面状に配列して平面状蛍光放電灯管群を形成し、前記平面状蛍光放電灯管群から放射される可視光を拡散する光拡散板を設けた平面型光源である。

　本発明の第１１の形態は、前記第１～第８形態のいずれかで且つ内直径が５ｍｍ以下に調整された蛍光放電灯管の複数本を平面状に配列して平面状蛍光放電灯管群を形成し、前記蛍光放電灯管を線順次に放電点火して消費電力を減少させる平面型光源である。

　本発明の第１２の形態は、前記第１０又は１１形態の平面型光源を背面光源として使用する液晶表示装置である。

　本発明の第１の形態によれば、放電用媒質を充填したガラス管の両端部の外壁面に外部電極を配置し、前記外部電極間に高周波電圧を印加するから、放電用媒質が高周波電圧でイオン化されて電子と陽イオンが生成される。前記電子は外部電極から注入されず、ガラス管内の放電用媒質から生成されるものであり、ガラス管外の外部回路とガラス管内の内部回路とが電子的に完全に遮断された独立回路となる。電子が外部回路から供給されないから、陰極電圧降下は生じず、電力の無駄な消耗が無くなり、低電力節電型の蛍光放電灯管を提供できる。ガラス管内に内部電極が無いから、金属電極の消耗やガラス管内壁面への金属スパッタリングが無くなり、超長寿命化を達成できる。前記放電用媒質とは、例えばＡｒガスとＨｇ滴（加熱によりＨｇ蒸気）である。
　本発明の高周波電圧とは、Ａｒ等の放電用媒質を効率的に電離又は励起させることができる電圧を意味しており、その振幅・周期・波形は通常の電子工学的定義に特段に限定されるものではないことは云うまでもない。高周波電圧の印加によりＡｒはイオン化されてＡｒ^＋とｅ^－に電離する。電子ｅ^－は外部電極の陽極近傍のガラス管内に集積して電子源となり、陽イオン（Ａｒ^＋）は外部電極の陰極近傍のガラス管内に集積して陽イオン源（単にイオン源とも呼ぶ）となる。前記電子源から供給される電子が高周波電圧により陽イオン源へ進行し、その途中でＨｇ原子を非弾性衝突により励起し、その基底遷移により放出される紫外線により蛍光膜から可視光が外部に放射される。衝突電子は陽イオン源の陽イオン（Ａｒ^＋）と結合して中性の放電用媒質に戻る。従って、放電用媒質はイオン化と再結合を反復するだけであり、放電用媒質の消耗は全く無く、蛍光放電灯管の超寿命化を実現できる。
　本発明の外部電極型蛍光放電灯管は、外部電流が内部回路に供給されないから、外部消費電力は極限まで低減され、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、従来観察されていた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。
　また、従来から、蛍光放電灯管の両端が黒ずみ、発光がオンオフに点滅し始めると、蛍光放電灯管の寿命が消尽したとして、蛍光放電灯管を廃棄するのが常であった。しかし、この廃棄される蛍光放電灯管でも、内部に封入されたＡｒガスやＨｇなどの放電用媒質は全く異常が見られないことが多い。本発明では、放電用媒質に異常がない廃棄された蛍光放電灯管でも、ガラス管の両端部の外壁面に外部電極を配置して、前記外部電極間に高周波電圧を印加するだけで、新品の蛍光放電灯管と同程度に発光させる事が可能になり、放電蛍光灯管のリサイクルを可能にすることができる。

　本発明の第２の形態によれば、前記ガラス管の前記両端部である縮径された小ガラス管の外壁面に前記外部電極を配置できるから、外部電極の取付の容易性と点灯電力の一層の低減化が可能になる利点がある。小ガラス管の直径はガラス管の直径よりかなり小さくできるから、小ガラス管の外壁面に配置される外部電極の面積は一層に小さくなる。小ガラス管の内壁面には蛍光膜を塗着するから、外部電極の面積に対応した蛍光膜面積も小ガラス管では同様に小さくなる。この小面積化に応じて、高周波電源回路に流れる高周波電流も小さくなる。蛍光放電灯管の場合、消費電力は高周波電源回路に流れる高周波電流と外部電極に印加する実行電圧の積で評価される。この評価は外部回路の消費電力であり、蛍光放電管内で放電に関与する電力とは無関係である。従って、高周波電流が小さくなれば、点灯消費電力を低減化できることは明白である。

　本発明の第３の形態によれば、前記外部電極が前記外壁面に成膜された導電膜電極であるから、導電膜の形成容易性により電極製造工程が単純化され、蛍光放電灯管の製造コストを低減することができる。導電膜としては、電極ペースト膜、物理蒸着膜、化学蒸着膜、メッキ膜、その他の成膜方法による導電膜が使用される。物理蒸着膜としては、真空蒸着膜、スパッタリング膜、イオンプレーティング膜などがある。化学蒸着膜としては、ＣＶＤ膜、熱ＣＶＤ膜、その他の化学導電膜がある。メッキ膜としては、電解メッキ膜、無電解メッキ膜が利用できる。電極ペースト膜を具体的に説明すれば、ガラス管又は小ガラス管の外壁面に、Ａｇペースト等の電極ペーストを所定形状に塗着し、電気炉中で焼成すれば、有機物が気散して金属分が導電膜として形成される。前記導電膜は半田で形成してもよく、製造の容易さとコスト低減が実現できる。

　本発明の第４の形態によれば、前記外部電極が、ガラス管又は小ガラス管の外壁面にコイル状電極、リング状電極、点状電極又は小面積電極を配置するだけで構成でき、電極構造の多様化と電極構造の簡単化が実現できる利点がある。コイル状電極は細電線をガラス管の外周面に巻回したもので、発光強度はコイルの巻数に多少依存するが、巻数を増やすと巻数依存性が無くなる傾向にある。リング状電極は、ガラス管の外周面に金属リングを外嵌した構造で、前記コイル状電極の先端自由端を細電線に接触固定させた構造を含む。前記コイル状電極やリング状電極は細電線から形成してもよいが、導電膜で形成してもよいことは言うまでもない。点状電極はガラス管に細電線を接触させて構成しても良いし、ガラス管外壁面に導電膜を点状に成膜しても良い。小面積電極はガラス管外壁面に導電膜で形成すれば簡単に構成できるが、金属板を配置しても良いし、細電線を平面状に多重巻回して形成しても簡単に構成できる。

　本発明の第５の形態によれば、前記ガラス管の内壁面に蛍光膜を塗着し、この蛍光膜を連続して前記外部電極に対向した位置まで塗着するから、電子源と陽イオン源を外部電極位置の蛍光膜上に形成でき、外部電極間の全域から放電発光させることが可能になる。蛍光体は誘電体であり、陽極外部電極に対応する蛍光体は－＋に分極し、蛍光体表面に電子源が形成される。また、陰極外部電極に対応する蛍光体は＋－に分極し、蛍光体表面に陽イオン源が形成される。この電子源と陽イオン源の間に内部放電回路が構成される。外部電極をガラス管又は小ガラス管の両端位置に配置すれば、放電管の全領域から発光させることができ、従来の蛍光放電管灯と比較してガラス管全領域発光が可能になり、かなり明るい蛍光灯を実現できる。

　本発明の第６の形態によれば、前記蛍光膜の表面において、ガラス管軸方向に、ＰＬ蛍光体粒子とＣＬ蛍光体粒子を交互に分散配置するから、急速点灯とガラス管の全領域発光を可能にした蛍光放電灯管を実現できる。負電荷を持った蛍光体粒子として、光発光蛍光体（ＰＬ蛍光体）が存在する。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する。前記電子源から取り出された電子をＣＬ蛍光膜表面の表面伝導により加速し、前記加速電子の軌道を蛍光膜上の負電荷を持ったＰＬ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。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。

　負電荷を持たない蛍光体粒子には、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。前記蛍光膜の表面に負電荷を持たない蛍光体粒子（ＣＬ蛍光体）と負電荷を持った蛍光体粒子（ＰＬ蛍光体）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。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。

　本発明の第７の形態によれば、前記蛍光膜を、ハロ燐酸カルシウム白色発光ＰＬ蛍光体粉と電子線照射下で白色発光するＣＬ蛍光体粉の混合粉から形成するから、蛍光放電灯管の製造コストを低減できる効果がある。即ち、ハロ燐酸カルシウム白色発光ＰＬ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。しかも、表面に負電荷を有するハロ燐酸カルシウム白色発光ＰＬ蛍光体粉と表面に負電荷を有さないＣＬ蛍光体粉の混合粉から蛍光膜を形成すると、必然的にガラス管軸方向の蛍光膜表面にＰＬ蛍光体粒子とＣＬ蛍光体粒子が交互に無数に分散して存在することになる。無数のＰＬ蛍光体粒子の位置でその負電荷により伝導電子が曲げられて発光し、その領域は蛍光膜の全面であるから、急速点灯と全面発光が可能になる。

　本発明の第８の形態によれば、前記蛍光膜を、希土類ＰＬ蛍光体粉とＺｎＯからなるＣＬ蛍光体粉の混合粉から形成するから、希土類蛍光膜を使用した蛍光放電灯管の製造コストを低減できる効果がある。希土類ＰＬ蛍光体粉は表面に負電荷を有する高性能のＰＬ蛍光体粉であるが、近年の希土類元素物質の高騰により、希土類蛍光膜を使用した蛍光放電灯管の製造コストは上昇しつつある。そこで、本形態では、ＣＬ蛍光体粉として、価格が比較的に安くて安定したＣＬ蛍光体であるＺｎＯ蛍光体を使用して、混合蛍光体粉の製造コストを低減させることを企図している。特に、ＺｎＯ蛍光体は紫外線により励起されてから発光するまでの減衰時定数が極めて短いから高速発光が可能であり、30 V以下の低電圧でも明るいCLを発光する特性を有する。しかも、表面に負電荷を有する希土類ＰＬ蛍光体粉と表面に負電荷を有さないＺｎＯ蛍光体粉の混合粉から蛍光膜を形成すると、必然的にガラス管軸方向の蛍光膜表面にＰＬ蛍光体粒子とＣＬ蛍光体粒子が交互に無数に分散して存在することになる。無数のＰＬ蛍光体粒子の位置でその負電荷により伝導電子が曲げられて発光し、その領域は蛍光膜の全面であるから、急速点灯と全面発光が可能になる。

　本発明の第９の形態によれば、高周波電圧としてパルス高周波電圧を用いて放電駆動するから、確実な急速点灯と全面発光を実現することができる。現在の電子回路技術によりパルス高周波の波形は自在に設計することが可能である。パルス高周波の波高値により放電ガスの温度制御が可能である。好適には、１パルスは高電圧尖端パルスと中電圧矩形パルスから構成される。高電圧尖端パルスによりガス原子を瞬間的にイオン化し、中電圧矩形パルスにより電子を加速する。このパルスを反復することにより、イオン化と電子加速を連続的に行い、急速点灯と全面発光を安定的且つ持続的に実現することが可能になる。

　本発明の第１０の形態によれば、本発明に係る前記蛍光放電灯管の複数本を平面状に配列して平面状蛍光放電灯管群を形成し、前記平面状蛍光放電灯管群から放射される可視光を拡散する光拡散板を設けた平面型光源が提供される。本発明に係る蛍光放電灯管は、殆んど発熱しない節電型蛍光灯であり、電極損耗やガス損耗が無いから超長寿命型蛍光灯であり、高輝度・急速点灯・全面発光の高特性を有した蛍光灯である。このような高特性を有する多数の蛍光放電灯管を並列させて平面状蛍光放電灯管群を構成し、光拡散板を設けて可視光を拡散するように構成すれば、良好な平面型光源を提供することができる。多数本、例えば５本の蛍光放電灯管を並列発光させる駆動電力は、１本当たりの駆動電力より多少増加するだけで、２倍にも達しないことが実験的に確認されている。即ち、並列配置した平面状蛍光放電灯管群の左右両端縁の上方に２本の細電線を配置して高周波電圧を印加する場合に、その本数を次第に増加させながら全本数を発光させても、外部電源から供給される高周波駆動電圧は同一でも高周波駆動電流が多少増加するだけで、本数に比例するほどには変化しないことが、本発明者により実験的に確認されている。この実験的事実は蛍光放電灯管の分野において画期的なことである。これらの関係は、今後の研究によりより詳細に明らかにされるであろう。

　本発明の第１１の形態によれば、内直径が５ｍｍ以下に調整された前記蛍光放電灯管の複数本を平面状に配列して平面状蛍光放電灯管群を形成し、前記蛍光放電灯管を線順次に放電点火して消費電力を減少させる平面型光源が提供される。内直径が５ｍｍ以下の細型蛍光放電灯管であるから、多数の細型蛍光放電灯管を平面状に組立てることができる。
　平面状蛍光放電灯管群を形成する点の構成・作用・効果については、本形態と第１０形態とは同様であるから、本形態の作用効果の詳細は省略する。以下には異なる点を説明する。本形態の特徴点は、蛍光放電灯管を線順次に放電点火して消費電力を減少させる点である。第１０形態では、多数本の蛍光放電灯管を同時点灯させる場合について説明したが、同時点灯しても１本点灯の消費電力より多少増加する程度に過ぎないことを述べた。しかし、多数本を１本ずつ線順次に点灯させる場合には、常時１本しか点灯しないのであるから、１本の点灯電力しか消費されないことは明らかであり、多数本の同時点灯よりも確実に消費電力を低減させることができることは言うまでも無い。１本点灯を移動させながら反復できるのは、本発明の蛍光放電灯管が急速点灯を可能にしているからである。また、１本の蛍光放電灯管が全面発光且つ高輝度発光するので、１本だけ発光させていても十分な照度を与えることができる。急速点灯性により、前記点灯の移動速度を増大させても、観察者は全本数点灯していると錯覚し、平面型光源として有効である。

　本発明の第１２の形態によれば、前記平面型光源を背面光源（背面照明光源）として使用する液晶表示装置が提供できる。液晶表示装置は必ず背面光源を必要とするが、本発明に係る平面型光源を背面光源として利用すれば、良好な液晶表示装置を実現できる。本発明によれば、内直径が１ｍｍの蛍光放電灯管も製造できるので、バッテリー駆動で稼動するノートブック型ＰＣやそれよりもサイズが小さい携帯機器の液晶表示装置（ＬＣＤ表示装置）に利用できる。本発明になる蛍光放電灯管が瞬間点灯（急速点灯）、高輝度、低消費電力、長寿命、超薄型の利点を有し、これらの特徴を効果的に発揮できるからである。

[本発明の更なる詳細説明]
　蛍光放電灯管の放電に現れ、省電効果の最も大きな陰極電圧降下を除去する問題を最も基本から考える。本発明者の研究によれば、従来の陰極を使用した蛍光放電灯管に現れる陰極電圧降下の現象は次の原因により引き起こされることが分かった。

　現在の固体物理では次の事実を示す。陰極が電子をガス空間に放出すると、正孔(電子の抜け穴)が陰極表面に必ず残る。正孔は電源からの電子により埋められるが、正孔の発生時から電子が正孔を埋めるまでの間に時間差がある。統計的には、陰極表面層に常に決められた量の正孔が存在する。この正孔の正電界はガス空間に広がり、ガス空間にある自由電子を引き寄せる。引き寄せられた自由電子は陰極に突入できず、陰極表面層の正孔とガス空間で静電結合し、陰極表面層の直上（約5 μｍ）に留まる。陰極表面に留まり、強固に陰極表面で結合した電子を表面結合電子（SBE, surface-bound-electron）または空間電子雲あるいは単に電子雲と呼ぶ。陰極表面の電子雲の存在は1900年代初期の真空管の研究で既に検出され、良く知られていた。現在、最先端半導体素子は、固体接合界面に生ずるSBEを利用して成立している。SBEの取り扱いは最先端科学技術の知識を必要とし、最先端技術になる製品を生み出す。蛍光放電灯管の研究では、理由は分からないがSBEの存在は無視されていた。陰極電圧降下の現象はこの無視されたSBEに起因して発生する。

　陰極表面を必然的に覆う表面結合電子SBEの電界強度は計測できる。負電荷の電界強度は100 V/5 μm = 2 x 10⁵V/cmである。SBEは強い負電界 (2 x 10⁵V/cm)で陰極を静電遮蔽している。静電遮蔽された陰極から電子をガス空間に引き出すには、陰極と陽極間に印加している一方向の電場で、電界の大きさは2 x 10⁵V/cm以上が必要になる。引き出された電子は高速運動エネルギー（2 x 10⁵V/cm以上）を持つ。引き出された電子は電界に沿って一方向に進み、ガス放電を起すと考えていた。一方向に進む電子がガス原子と衝突する確率は、ガス濃度と管長から計算できる。その値は管長 (1 m) 当たり0.001ガス原子である。これは1000 mの電子移動で1個のガス原子に遭遇する確率で非常に小さい。ガス放電の現実問題の解を求める時、一方向に進む電子の考えは無効である。計算の詳細を以下に記す。

　電子の直径は5.6 x10^-13 cmであるので断面積は5 x 10^-23 cm²、管長を100 cmとすると、一方向に進む電子の占有体積は 5 x 10^-21 cm³となる。蛍光放電灯管内に含まれるArガス原子数を計算する。蛍光放電灯管の直径は3 cmであるので、管の断面積は14 cm²、管の体積は1.4 x 10³ cm³である。1気圧にある1モルのガスの体積は22.4 x 10³ cm³。蛍光放電灯管に封入するArガス圧は７mm Hg であるのでAr ガス圧は約0.01 (= 7/760) 気圧になる。管中のArガスのモル数は 6 x 10^-4モル (=１x 10^-2 x 1.4 x 10³cm³/22.4 x 10³)である。1モルのガス原子数はアボガドロ数 (6 x 10²³/ mole) で与えられるので、管中には3.6 x 10²⁰ (6 x 10^-4 x 6 x 10²³) Arガス原子が存在する。一方向に進む電子の占有体積は 5 x 10^-21 cm³であるので、その中に含まれるガス原子数は（5 x 10^-21/1.4 x 10³）x 3.6 x 10²⁰＝ 0.001となる。一方向に進む電子がArガス原子と遭遇する１ｍ当たりの確率は 0.001 である。上記計算は、蛍光放電灯管中で放電に寄与する電子は、従来考えていたように「陰極―陽極間の電界で加速され、一方向に進む電子」では有り得ないことを示す。この結論は、蛍光放電灯管内のガス放電を論ずる上で大切な結論である。

　蛍光放電灯管のガス空間を移動する電子は、負電荷と運動エネルギーの両方の性質を持ち合わせ、陰極ー陽極間の電位勾配ではなく、蛍光放電灯管に印加している高周波電界の影響を受けて移動する。蛍光放電管中の電子移動に例外は無い。陽極により陰極から引き出された電子が陰極ー陽極間の電界により移動すると考えると、その電子は放電管中でガス原子と遭遇する機会は無く、放電は起こらない。ガス原子と遭遇するには、陰極から引き出された電子は、印加している高周波電界からの作用を受け、電子軌道を変更しなければならない。電子軌道を変更した電子はガス原子と遭遇する。運動エネルギーを持った電子がガス原子と遭遇した時、何が起こるかを、陰極電圧降下を論ずる前に理解することが必要である。

　電子の持つ負電荷に着目すると、ガス空間を移動する電子は、電子を充満した電子殻を持ったガス原子に接近しても、最外殻電子の負電界で強いクーロン反発を受け、ガス原子中には入れず、非弾性衝突のみが許容である。非弾性衝突した電子は消えず、ガス空間に残る。ガス空間に残った電子は、次の高周波電界の波により再度加速され、他のガス原子と非弾性衝突する。この繰り返しにより電子は陽極に至り、陽極が電子を捕集する。陰極から放出された電子数と陽極で捕集された電子数が一致する理由である。この計測事実は、放電路中で電子の雪崩現象があるとする従来の仮説を否定する。又、放電中に加速電子がガス原子と衝突して二次電子を放出し、その二次電子がガス放電に関与する仮説も否定する。電子源から取り出した電子は、ガス原子と非弾性衝突し、非弾性衝突した電子が繰り返し使用される。繰り返し使用する電子の最適化条件の検討が大切であったが検討されなかった。

　非弾性衝突を受けた側のガス原子に着目すると、非弾性衝突時の衝突電子の運動エネルギーに依存し、ガス原子のイオン化（自由電子と自由陽イオンをガス空間に作る）、ガス原子の励起（ガス原子の電子を発光状態にする）、単なる非弾性衝突の３種類がガス原子に起こる。励起されたガス原子のみが発光する。イオン化にはエントロピーの変化により発熱が伴う。自由電子と自由イオンの直接再結合では、陽イオンが原子に復帰するだけで、発光は見られず、熱の吸収が起こる。ガス原子側からの要求は、非弾性衝突する電子は、主にガス原子を励起する運動エネルギーを持つことである。もう１つの要求はガスの保温で、イオン化で発生する熱を利用し、Hgが最適蒸気圧で蒸発するに必要な温度(40 ℃)にガスを保温することである。

　蛍光放電灯管の電極に印加する高周波が上記要求条件を満たすとき、蛍光放電灯管中のガス原子の状態を最大化できる。それには高周波の一波長間の波形を最大化すると良い。蛍光放電灯はサイン波形の高周波の印加でも高輝度に発光するが、より効率良くガス原子を発光させるには、Hgガス温度を規制するイオン化電圧とガス原子を励起する電圧とからなる変形パルス波形の印加が最適である。本発明は最適化したパルス波形の高周波で点灯する蛍光放電灯管の提供もする。

　現在市販している細管のCCFLと20 mm以下のHCFLは経験則で見つけた周波数が30kHzから50 kHz、波高値が 2 kV以上のサイン波による高周波を電極に印加している。周波数は電子の平均自由工程と関係し、Arガス圧を電子の平均自由工程に調節する。CCFLの場合、Arガスは70 ｍｍHgになる。波高値は共鳴電子の運動エネルギーと関係する。50 kHz印加の場合、平均自由工程は0.2 μmである。１蛍光体粒子の大きさは平均２μmから４μmであるので、１蛍光体粒子表面に10から20波の高周波が到達する。高周波の各波で蛍光体粒子表面に到達する電子は高周波で加速した電子と散乱電子がある。蛍光体粒子表面には運動エネルギーを持った電子が多数回到達し、多数の電子が蛍光体粒子内に突入する。PL蛍光体粒子は内部持続分極 (PIP)を持っているので、放電の初期に蛍光膜に接近する加速電子は、PIPのクーロン反発で蛍光体粒子に接近できない。放電灯内で発光したUVにより蛍光膜が発光すると、PL蛍光体粒子のPIP電荷は消えるので、放電路の電子は蛍光体粒子に突入できる。突入した電子は多数の二次電子を蛍光体粒子表面から放出する。放出した二次電子と蛍光体粒子内の正孔との間でSBEが形成され、蛍光体粒子はSBEの強い負電荷で遮蔽される。SBEは蛍光体に光が照射されても消えない。蛍光体粒子上のSBEの存在は、陽光柱と蛍光膜の間隙を決定する重要因子となる。本発明は電子の突入で出来るSBEを可能な限り消去し、陽光柱と蛍光膜との間隙を最小限にする蛍光膜を提供する蛍光放電灯である。

　以上の知識を基にして最大課題である陰極降下電圧を検討する。陽極により陰極から電子を取り出すと、取り出した直後の電子は非常に大きな運動エネルギー (10⁶ V/cm以上)を持ち、一方向に進む。この高運動エネルギーを持った電子の動きは高周波電界の影響を受け、進行方向を僅かに変える。進行方向を変えた高運動エネルギーを持った電子は、熱振動しているガス原子と非弾性衝突する機会を持ち、ガス原子をイオン化するがエントロピー変化による発熱を伴う。非弾性衝突した電子は僅かに運動エネルギーを失い、電子軌道も管軸方向から僅かに変位した方向をとる。非弾性衝突した電子は高周波電界の影響を再び受け、更に方向を変更し、他のガス原子と非弾性衝突する機会を持ち、ガス原子のイオン化により、更に運動エネルギーを失い、進行方向を僅かに変更するが、管軸方向に進む。陰極から取り出した高エネルギー電子は、非弾性衝突による電子軌道の散乱と高周波電界による作用を繰り返し受けながら減速して行く。繰り返しは減速電子が高周波と同期できるエネルギーに減少する(Arのイオン化エネルギー15.7 eV以下)まで継続する。継続する陰極からの距離はガス圧により変わるが、ガス圧を変えても陰極電圧降下は存在する。高周波電界により完全に制御された電子は、高周波と共鳴し陽極に向かって進む。高周波に共鳴した電子はガス原子と非弾性衝突を繰り返し、安定した陽光柱放電を形成する。

　陽光柱放電を巨視的に見た時、電子の挙動は高周波同期で説明できる。統計学の平均値で考えると、陽光柱内の電子の平均自由工程は、Paschenの実験曲線で最低値の (pd) で求められる。求めた電子の平均自由工程は高周波の波長と一致する。微視的に電子の挙動を見ると、ガス原子と非弾性衝突して散乱した電子軌道は、暫し間、無作為な方向を取る。特に蛍光膜の近辺でガス原子と非弾性衝突した電子は、蛍光膜上の蛍光体粒子に突入する機会を持つ。蛍光体粒子に突入できる電子の運動エネルギーは15 eVよりも高く20 eVの範囲である。電子が突入した蛍光体粒子は、低速電子線を照射したCL蛍光膜と同じで、CL蛍光体粒子の特有な特性を示す。多くの蛍光体では蛍光体粒子の特性により陽光柱と蛍光膜の間に陽光柱からの電子が入れない間隙ができる。この間隙は、蛍光体粒子上に出来るSBEと密接な関係を持つ。

　上述したように、蛍光放電灯管の基本から理解すると、陰極電圧降下の機構が明確に理解できる。陰極電極を採用するからと、過去の研究者と同じ実験条件になり、陰極電圧降下の原因は解析できない。本発明者は後に述べる運動エネルギーがゼロに近い電子源を使用した実験から「陰極から取り出した電子の高運動エネルギーが緩和され、高周波と同期できる水準に減衰するまでの距離が、陰極電圧降下の領域である。」と明言する。陰極電圧降下の領域での主現象はエントロピーの変化で発熱を伴うガス原子のイオン化である。ガス空間温度が上昇し、放電管端のガラス管壁の温度が高くなる。陰極電圧降下の領域では、ガス原子はイオン化により電子と陽イオンが相互に作用できない距離に離れ、自由電子と自由陽イオンがガス空間に出来る。陽イオンの質量は電子の質量の10³倍である。高周波電界により陽イオンの移動方向は電子と逆方向であり、自由電子と自由陽イオンは高周波電界の電場でより遠く離され、電荷の密度分布が幾つか出来る。これらの電荷の密度分布は陰極からの距離により変わる。この理由で陰極電圧降下の領域内では自由電子、自由陽イオン、一次電子が複雑な偏在分布で存在する。分布が一様でないので、陰極面に平行に陰極表面から６種類の弱い発光縞が観測される。陰極電圧降下は不規則な上記分布範囲に起る。陰極電圧降下の主原因は陰極電極表面に形成するSBEであり、電荷の偏在分布が存在する放電路には原因が無い。又、陰極表面に形成するSBE量は、陰極に印加する周波数に無関係である。電荷の偏在分布は原因により誘起された現象であり、陰極表面のSBEを消去すれば全て消える。陰極電圧降下を蛍光放電灯管の点灯から完全に消すには、SBEを形成しない電子源を蛍光放電灯管内に作れば良い。

　以上に詳述した現象を検討した結果、本発明者は、「蛍光放電灯管中には管内壁面に塗布された蛍光膜と、放電に必要なアルゴンArガスと水銀Hgのみを含有し、その他の部品材料が全然含まれない蛍光放電灯管に外付けの電極構造からなる単純構造を持った蛍光放電灯管」を開発した。放電に必要な電源を構成する電子源と陽イオン源は、次の手段により得る。金属電極を内装しない蛍光放電灯管を作る。蛍光放電灯管の両端の狭い範囲の外壁の一部面積または外壁全周にAgペースト等の電導体膜を適切な厚さで塗布し、外壁の電導体膜を外付き電極とする。両端の電極に周波数が20 kHzから70 kHzにあり、波高値が1 kVから20 kVにある高周波電圧を印加すると電導体直下のガラス内壁面に塗布された蛍光体粒子が誘電分極する。誘電分極した蛍光体粒子上に電子雲と陽イオン雲がそれぞれ瞬間に形成する。これ等の電子雲と陽イオン雲は、蛍光放電灯管内のガス放電の内部電源となる。外付け電極に対応する内部管壁に蛍光体膜が塗布されていないと、電子雲と陽イオン雲は管内に形成しない。蛍光膜の存在が必要条件である。蛍光膜を構成する個々の蛍光体粒子は電気絶縁体であるので、外付け電極に対応する内部管壁に電気絶縁体粒子による膜が必要条件と言い換えても良い。高周波電界にある電子雲の形成は電子の世界では長いが、高周波の次の波で遊離するので、電子雲からから取り出した電子の運動エネルギーはゼロに近く、高周波と同期する。同期した電子は蛍光膜の表面電導から始まり、ガス空間のガス原子を放電させる点火装置の働きを経て放電灯管内を高周波と同期して移動し、陽イオン雲に到達するまでの間で放電を起す。電子が陽イオン雲に到達すると陽イオンと再結合してガス原子に復帰する。蛍光放電灯管内のガス放電に外部からガス空間に電子を直接注入する必要もなく、また内部に付けた陽極で電子を捕集する必要もない。高周波電界の中にある電子雲から取り出す電子の運動エネルギーはゼロに近く、ガス点灯で電力を無駄に浪費していた陰極電圧降下は放電路から完全に消える。その結果、陰極電極を使用した従来の蛍光放電灯管の点灯で費やしていた陰極電圧降下の電力40 % を消去した本発明になる蛍光放電灯管が得られる。

　それだけではない。放電に必要な電子流の大きさは最大0.1 mAと極度に低減できる。更に、蛍光放電灯管に塗布された蛍光膜中の蛍光体発光中心は40℃で非常に安定であるので、蛍光放電灯管中には放電灯管の寿命を阻害する因子は存在せず、蛍光放電灯管の寿命は極度に長くなり、蛍光放電灯管の製造工程で脱ガス工程が十分である場合、蛍光体粒子表面に有機残留ガスが吸着しないので初期輝度を600,000時間以上も保持する。更に、蛍光放電灯管の点灯に要する時間は、蛍光膜の特性を変更することにより変り、従来の蛍光放電灯の秒単位の点灯速度を大幅に改善し、1/100の10ミリ秒前後で蛍光膜全面が瞬時に点灯する。これは本発明者が開発したガス点灯のミクロな点火装置が蛍光膜全面に均一に分散しており、ガス点灯の点火装置がほぼ同時に働くからである。瞬時点灯の差は眼で認知できないが、LCDを初めとする産業用機器に使用する蛍光放電灯管では効果は歴然となり、産業用機器用照明光源の新たな使用形態が発生する。

　例えば、LCDバックライトに適用するとき、複数本のCCFL蛍光放電灯管をある間隔を置いて配列する。配列した蛍光放電灯管を単独、又は数本を束ね、眼の残像効果が働く周期内で線順次に点灯が出来る。線順次点灯するとLCDスクリーン上に映す画像には面輝度のふらつきは見られず、大きな画質の改善が出来る。同時に大きな省電にも連係する。線順次で点灯するバックライトの電力は、全面を光らせた場合の電力より、画面を線順次する分割数に逆比例する。線順次の分割数が10分割であるならば十分の一、20分割であるならば二十分の一に減少する。電力の減少した分の全部または一部に相当する電力量を蛍光放電灯管数の増加で埋めることが許される。LCDのスクリーン輝度は蛍光放電灯管数の増加数に比例して増加するので、高輝度なLCDスクリーンが得られる。従来のCCFLでは点灯速度は秒単位であるので、CCFLを線順次に点灯することは不可能で、バックライトは常時全面を光らせる。線順次点灯を採用すると、スクリーン上の画質の改善だけでなく大きな省電が実現し、その効果は歴然である。

　上述したように、蛍光放電灯管の点灯特性は今まで検討されなかった蛍光膜の特性で大きく変わる。電子供給源だけでは解決できない問題である。そこで本発明者は、使用する蛍光体の特性を基本から理解する一手段としてハロ燐酸カルシウム蛍光体と希土類混合蛍光体との差がどこに有るかを調べた。この調査は本発明になる蛍光放電灯管の蛍光膜を理解する重要な要素である。詳細を以下に記す。

　ハロ燐酸カルシウム蛍光体を電子線照射下に置くと白色に発光せず、弱い黄色に発光し、発光強度は極度に低く実用にならない。蛍光放電灯管の点灯で励起水銀 (Hg) 蒸気から発する254 nm紫外線の照射下でのみ白色に明るく発光する。更にハロ燐酸カルシウム蛍光体は、入力を増加すると発光強度が飽和する。従来、発光強度の飽和を蛍光体粒子内の発光中心数の飽和に帰していた。そこで、発光に関与する蛍光体粒子内の発光中心を計算する。蛍光膜の単位面積当たりで発光に関与する蛍光体粒子数を実験的に決めると、関与する蛍光体粒子の全体積が計算できる。蛍光体粒子内の発光中心の濃度はモル比で与えられるので、発光中心の数が計算できる。一方、蛍光膜に照射している紫外線の光子数は実測できる。計算による発光中心数は蛍光体に照射する紫外線光子の10 倍以上で、蛍光放電灯管内の蛍光膜の発光中心数は飽和から程遠い。実験室で蛍光放電灯管内の蛍光膜に照射している紫外線強度と同じ紫外線光源を幾つか用意し、紫外線光源を重複させて蛍光膜からの発光強度を紫外線強度の関数で調べる。蛍光膜に照射する紫外線量を3倍に増加すると、蛍光膜は3倍の輝度で発光する。5倍にすると、発光強度も5倍になり、発光強度は紫外線強度と一次関数で表せる。蛍光体粒子中の発光中心数の計算は正しい。蛍光放電灯管で輝度飽和が発生するのは、蛍光放電灯管内の蛍光膜に到達する紫外線光子数が飽和すると確認する。ハロ燐酸カルシウム蛍光体を使用すると、入力電力を増加させると蛍光膜上に届く254 nm紫外線が飽和するのだ。何故放電管中の紫外線量は飽和するのかの科学的理由は分かっていなかった。従って，ハロ燐酸カルシウム蛍光膜を使用すると、管径を細くしり、太くした蛍光放電灯管の蛍光膜が暗くなる理由も不明で、経験的に求めた最適な管径30 mm の蛍光放電灯のみを実用生産していた。

　蛍光体の発光についてもう少し詳しく検討する。蛍光体は大別すると光発光蛍光体（PL, photoluminescence）と電子線で明るく発光する電子線発光蛍光体（CL, Cathodoluminescence）の２つに大分類できる。白色発光ハロ燐酸カルシウム蛍光体は、発光中心を254 nm紫外線で直接励起するPL蛍光体に属する。直接励起蛍光体の特徴は、蛍光膜に入射する254 nm紫外線光子１個を可視光の光子1個として放出する。量子効率(出力光子数/入力光子数)が最大１の蛍光体である。PL蛍光体を使用する蛍光放電灯管では、明るく発光する蛍光膜を得るには、蛍光膜に照射する紫外線光子密度を増加するより方法が無い。PL蛍光体粒子のもう一つの特徴は、PL蛍光体は本質的にPIPを保持しており、蛍光膜中のPL蛍光体粒子は負に帯電している。仮にPIPを持たない蛍光体粒子が存在を仮定すると、電子の照射下で蛍光体粒子は電気絶縁体の特徴を持ち、PL蛍光体粒子には直ちにSBEが形成し、見かけ上負に帯電する。

　電子線で明るく発光するCL蛍光体は、基体結晶励起蛍光体に属する。CLが実用さしている条件では、電子１個が蛍光体粒子に入射すると、蛍光体粒子内に電子－正孔対が数千個も出来る。電子－正孔の１対が粒子内で再結合し１個の光子を粒子から放出するので、CL蛍光体粒子は１個の入力電子で数千個の光子を放出する。CL蛍光体の特徴は量子効率が非常に大きな蛍光体である。CL蛍光体粒子の特異な特徴は、蛍光体粒子がPIPを保持していても、表面に不純物が付着していなければ、臨界電圧以上の電子を照射すると、PIPは消え、蛍光体粒子表面は電気的に中性な絶縁体になる。表面が汚染していると、蛍光体粒子は見かけ上直ちに負に帯電する。CL蛍光体の発光中心は直接励起でも明るく発光するので、CL蛍光体が大きな光吸収バンドを254 nm 付近に持っているとPL蛍光体としても使用できる。PL蛍光体は良いCL蛍光体になれない。

　上述した整理を基に、254 nm紫外線照射下で白色に発光する希土類混合蛍光体に電子線を照射すると、蛍光膜は赤色が強い弱い白色で発光する。その発光強度はCLの実用水準より可なり低い。希土類混合蛍光体成分で赤色に発光する蛍光体は臨界電圧が110 V の低電圧で発光するCL蛍光体である。低電圧で明るく赤色に発光するCL蛍光体には幾つかの種類があるが、そのどれもが白色に発光する希土類混合蛍光体の実用に使える。緑色と青色に発光する希土類蛍光体はPL蛍光体でCL蛍光体ではない。この観測結果より、管径を3 mmと細くした蛍光放電灯管で希土類混合蛍光膜が明るく白色に発光する理由は、約70 % はPL蛍光体であるが、110 Vで発光する低電圧CL蛍光体を約30重量％含んでいるからである。

　この観測事実は直ちに利用できる。ハロ燐酸カルシウムPL蛍光体に白色に発光する低電圧 (10 V) ZnO CL蛍光体を30重量％添加し、粉体混合による蛍光体粉を作る。この混合蛍光体粉を使用した蛍光膜は、管径が30 mm の蛍光放電灯管では輝度が約 20 % 増加する。又、最大管径を30 mmに限定する理由もなくなり、30 mm 以上の管径で、長さに制限が無く、Arガス圧のみを増加させ、電極に30 kHzから70kHzで波高値が数kVの高周波を印加すると、消費電力を現在の蛍光放電灯の約半分にし、輝度が約倍になる非常に明るく発光する蛍光放電灯管を製造できる。消費電力が少なくても輝度が約倍になる理由は、放電路中を移動する同一電子が繰り返し多数回 (3万回から７万回) ガス原子と非弾性衝突するからである。更に管径を3 mm前後と細くした蛍光放電灯管の蛍光膜でも明るく発光する。この事実は、蛍光放電灯管内の放電に関与する電子の動きに、表面が清浄なCL蛍光体の関与が不可欠な役割を担っていることを立証する。換言すれば、蛍光放電灯管の放電路を形成する移動電子と蛍光膜の電気特性が密接に関連し、その結果として、蛍光放電灯管内の蛍光膜が効率良く発光する事実を示す。この事実は蛍光放電灯の点灯機構と蛍光膜の発光機構を考える上で重要な発見である。

　蛍光膜による問題は、上述したように新しい発見で解決でき、10分の１以下の単価で製造できるハロ燐酸カルシウム蛍光体を主に使用し、管径を種々と変えた家庭の部屋の照明に使う50 mm径から、LCDのバックライトに使う径が3 mm 前後までの管径を異にする蛍光放電灯管が製造できる。管径が10 mm 前後の蛍光放電灯管を電球型に集約した省電型蛍光放電灯管もこの範疇に入る。このように蛍光体の基本からPL蛍光体の特性を理解すると、稀有で高価な希土類資源を使わず、原料単価を大きく引き下げた蛍光放電灯管を需要者に提供できる。発明した蛍光放電灯は既存の陰極電極を使用した省電型蛍光放電灯よりも更に40 % も電力を減少できるので、需要者の経済と環境汚染対策に大きく貢献する高輝度蛍光放電灯管が提供できる。更に、次に述べる省電型高輝度平面光源が可能となる。

　屋外広告などで広告文字の背面に高輝度白色平面光源を使用すると色の異なる広告文字や映像が鮮やかになる。この高輝度白色平面光源に管径が30 mmから50 mmの本発明になる蛍光膜からなる白色蛍光放電灯を隙間無く全面に配列すると高輝度白色平面光源ができる。この大画面になる高輝度白色平面光源に配列した蛍光放電灯管を単独又は複数本を束ね、順次に50サイクルで点灯すると、眼の残像効果が働き、大画面になる高輝度白色平面光源に点灯に原因する光のちらつきは見られず、消費電力のみが配列した蛍光放電灯管数を分割する数に逆比例で低減する。配列した蛍光放電灯管の分割数が20分割であると消費電力は20分の1となる。30分割であると30分の1になる。この高輝度白色平面光源は、LEDを配列した同じ大きさの白色平面光源と比較すると、LEDでは可視光へのエネルギー変換効率は25 % 、熱の発生が200℃前後であるが，本発明になる蛍光放電灯管の使用では発熱は無視できる40℃前後であり、省電で可視光へのエネルギー変換効率（50 %）が抜群な高輝度屋外白色平面光源となる。ビルの大壁面に取り付ける屋外の大型広告に最適である。

　同じ原理で管径が1 mm前後の本発明になる複数個の蛍光放電灯管を小型平面に隙間なく、又は隙間を置いて配列し、そのままで、又は厚さ1 mm以下の光拡散板と背面に光反射板との組み合わせにより平面型照明光源ができる。この平面型照明光源で配列した蛍光放電灯管を単独又は複数本を束ね、順次に50サイクルで点灯すると、厚さ数ミリの種々な大きさにある高輝度な新規な屋内照明用面光源が提供できる。この屋内平面光源は、発熱が40 ^oC前後に規制され、非常に少ない電力で点灯する例外的な照明光源である。

　平面光源に使用する蛍光放電灯管径を変えることにより、種々の屋内外の照明用面光源が出来る。平面に配列した蛍光放電灯管を単独又は複数本を束ね、順次に50サイクルで点灯できるのは、本発明になる10ミリ前後で瞬時に点灯する蛍光放電灯管でのみ可能となる。本発明になる蛍光放電灯管は、抜群の省電力であるにも拘わらず高輝度に発光するので、平面型屋内外の照明光源に大きな変革をもたらす。

点灯に関与する内部放電回路が外部駆動回路と電流的に独立している本発明の蛍光放電灯管の説明図。管径２０ mm 以上の蛍光放電灯管外壁端に外部電極としてAg導電膜を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図。ガラス管内の内部電極に蛍光体粒子を塗着した従来蛍光放電灯管の両端外壁面に外部電極としてAg導電膜を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図。ガラス管内の内部電極に誘電体膜を成膜した従来蛍光放電灯管の両端外壁面に外部電極としてAg導電膜を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図。蛍光放電灯管外壁端に外部電極としてコイル状電極を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図。外部電極としてコイル状電極、リング状電極、点状電極又は小面積電極を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図。ガラス管の両端部に縮径形成された小ガラス管の外周に外部電極としてAg導電膜を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図。管外径が10 mm 以下の蛍光放電灯管の外壁端にAg導電膜を塗着した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図。蛍光放電灯管の外部電極に印加する高周波電圧の1波長の波形説明図。蛍光放電灯管の外部電極に印加する高周波電圧の1波長の変形波形説明図。本発明に係る複数個の蛍光放電灯管を平面基板上に並列に配置し、複数個の蛍光放電灯管を束ね、眼の残像時間より短い時間で順次点灯する低消費電力型の平面型光源の構成図。本発明に係る複数個の蛍光放電灯管を並列配置した平面型光源に２本の細電線を配設して同時点灯させる平面型光源の構成図。

符号の説明

　１　　　　　内部回路
　２　　　　　電子源（電子供給源）
　３　　　　　陽イオン源（イオン源）
　４　　　　　陽光柱
　５　　　　　誘導電流
　６　　　　　高周波電源（外部電源）
　７　　　　　外部回路
　８　　　　　外部電極
　８ａ　　　　コイル状電極
　８ｂ　　　　リング状電極
　８ｃ　　　　点状電極
　８ｄ　　　　小面積電極
　９　　　　　ガラス管
　９ａ　　　　ガラス管壁
　１０　　　　ガラス管壁
　１１　　　　蛍光放電灯管
　１２　　　　蛍光膜
　１２ａ　　　蛍光体粒子
　１３　　　　封止管（小ガラス管）
　１３ａ　　　排気ガラス小管
　１４　　　　内部電極
　１６　　　　細電線（リード線）
　１７　　　　小ガラス管
　１８　　　　誘電体層（誘電体膜）
　１９　　　　細型蛍光放電灯管
　２０　　　　平面型光源
　２１　　　　スイッチ
　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
　Ｔｉ　　　　イオン化時間
　Ｔｅ　　　　電子加速時間
　Ｖｉ　　　　尖端電圧（イオン化電圧）
　Ｖｅ　　　　電子加速電圧

　図１は、点灯に関与する内部放電回路が外部駆動回路と電流的に独立している本発明の蛍光放電灯管の説明図である。本発明になる蛍光放電灯管の駆動は、補完する二つの部分から成立している。第１は、図１（Ａ）に図示した内部回路１である。蛍光放電灯管内でガス放電に関与する電子は蛍光放電灯管内の一端のガス空間で発生し、累積した電子源２を形成する。電子源２から取り出した電子は印加している高周波により適度な運動エネルギーに加速され、蛍光放電灯管内を管軸に沿って移動しながらガス原子と非弾性衝突を繰り返しながらガス原子を発光させ、陽光柱４を形成する。移動電子は蛍光放電灯管内の他端のガス空間に形成している陽イオン源３に達し、陽イオンと再結合してガスに復帰する。電子源２から陽イオン源３までの電子の流れと、ガス放電に関与する電子が内部回路１を構成する。第２は、図１（Ｂ）に図示した外部回路７で、高周波電源６からの電力を外部電極８に接続し、蛍光放電灯を実質的に駆動する。内部回路の電子源２と陽イオン源３は、蛍光放電灯管外に取り付けた外部電極８に対応する放電灯管内壁面に塗布された蛍光体粒子1２の誘電分極を利用し、誘電分極した蛍光体粒子内の電荷がガス空間に広げている電界にガスのイオン化により出来た電子と陽イオンを引き寄せ、集積して電子源２と陽イオン源３を形成する。内部回路１と外部回路７の間には絶縁体であるガラス管壁９ａが介在し、両者間には電子の流れはない。電子源２と陽イオン源３はガス空間から調達され、ガス空間内で消費される。

　外部回路７には、ac高周波電圧による駆動時、蛍光体粒子１２ａの充放電（コンデンサーと等価）による誘導電流が流れる。外部回路７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５が流れるが、その大きさは非常に小さく無視できる。外部回路７にdc電圧を印加するとき、外部回路７に電流は流れず，放電灯管は放電しない。

　図２は、管径２０ mm 以上の蛍光放電灯管外壁端に外部電極としてAg導電膜を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図である。次に、電子源の問題を解決する。蛍光放電灯管１１のガラス管内壁面に先ず蛍光膜１２を塗布する。塗布した蛍光膜１２を乾燥してから、500℃ の温度で蛍光膜中の有機溶媒と結合剤を熱分解させて蛍光膜から取り去る。有機物の分解が終了したならば、直ちに炉の温度を下げ、還元性雰囲気で作られた蛍光体の酸化予防手段を取らなければならない。その一手法として窒素ガスを蛍光放電管内に導入すると還元性雰囲気で作られた蛍光体の発光の減少が抑えられる。室温度に冷却してから、両管端の蛍光膜を柔らかい布で拭き取る。蛍光膜を拭き取った一方の管端を融解して塞ぐ。他方の管端に排気ガラス小管１３ａを付け、その先にHgアマルガムを据付けてから排気装置に接続し、通常の排気工程の脱ガス工程を終了する。Hgアマルガムを僅かに暖め、Hgアマルガムに含まれる水分や有機ガスの１部を放出する。放出ガスはポンプで排気する。その後、規定量のArガスを蛍光放電管に導入する。次いでHgアマルガムを再度高温度に加熱し、Hg蒸気を蛍光放電管に導入する。その後、排気ガラス小管１３ａを管端近くで封止切ると、封止管１３が付いた蛍光放電灯管１１ができる。蛍光放電灯管１１の両管端の外壁面の狭い範囲に銀 (Ag) ペースト膜を塗布し、外部電極８を形成する。Agペースト膜は連続した幅で塗布しても良く、また、適当な間隔で小面積の電極を均一間隔で塗布し、小面積を細いAgペーストで電気的に接続した電極としても良い。電気的に接続した小面積の電極構造は、外部回路に流れるac電流を減らすことが出来るので、省電の効果が大きい。更に、蛍光膜の随所に電子源を作れるので、径の大きな蛍光放電灯管の放電点火に有利になる。銀Agペースト膜が乾燥したならば、200℃から300℃前後に加熱し、Ag電極を焼き付けると外部電極８ができ上がる。

　外部電極８に高周波電源６を接続し、20 kHzから70 kHzの周波数で波高値が数kVのサイン波からなる高周波を蛍光放電灯管に印加すると、外部電極８に対応する内壁面に塗布された蛍光体粒子１２が誘電分極する。分極した蛍光体粒子の電荷の電位は、電極電位の数倍になる。同時に外部電極８の周辺のガス原子もイオン化し、自由電子と自由陽イオンがガス空間に出来る。分極した蛍光体粒子の正電荷にガス空間の自由電子が引き寄せられ、分極した蛍光体粒子表面に累積する。この累積電子を電子源２とする。同様にして分極した蛍光体粒子の負電荷にガス空間の自由陽イオンが引き寄せられ、分極した蛍光体粒子表面に累積する。この累積陽イオンを陽イオン源３とする。ガス放電は電子源２から取り出した電子が、高周波と共鳴し管軸方向に進み、陽イオン源３に到達して陽イオンと再結合してガスに帰るまでの間で起こる。外部電極８の内側に蛍光膜１２が存在しない場合、当然のことながらガス放電は起こらない。ガス放電を起すには蛍光膜１２（蛍光体粒子１２ａ）の存在が必要である。蛍光膜の代わりに誘電率の大きな電気絶縁体粒子を電極に対応する箇所に塗布してもよく、蛍光体粒子の場合と同じようにガス放電は発生する。この事実から、最初に電極を配置するガラス管端の両箇所に誘電率が大きな粉体を塗布し、塗布膜が乾燥してから通常の蛍光体粉スラリーをガラス管全面に塗布しても良い。

　図２の説明では、蛍光放電灯管を製造してから外部電極を付けた。蛍光膜１２を塗布し、蛍光膜１２が乾燥した直後に、管外壁の規定された箇所に規定されたパターンで規定量のAgペーストを塗布し、Agペーストが乾燥してから、管内壁に塗布された蛍光膜からの有機結合剤の焼却処理と同時に、外部電極を管壁に焼き付けると、製造工程がより簡便になる。その後の蛍光放電灯管の製造工程は図２に説明した工程を加えて蛍光放電灯管を製造する。

　図３は、ガラス管９内の内部電極１４に蛍光体粒子を塗着した従来蛍光放電灯管の両端外壁面に外部電極８としてAg導電膜を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図である。従来の蛍光放電灯管１１を本発明の蛍光放電灯管１１に変形する場合を説明する。従来の蛍光放電灯管１１は、ガラス管９の内部に内部電極１４を有している。内部電極１４はどのような形式でもよい。この内部電極１４の表面にも蛍光体粒子１２ａを塗着する。内部電極１４に対向したガラス管９の外壁面に外部電極８をAg導電膜により形成する。左右の外部電極８、８間に高周波電圧を印加すると、この外部電圧により誘電体である蛍光体粒子１２ａが誘電分極し、この分極電荷により蛍光体粒子表面に電子源２と陽イオン源３が形成される。この蛍光放電灯管１１の放電発光作用は図２と同様なので詳細説明を省略する。

　図４は、ガラス管９内の内部電極１４に誘電体層１８を配置した従来蛍光放電灯管の両端外壁面に外部電極８としてAg導電膜を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図である。従来の蛍光放電灯管１１を本発明の蛍光放電灯管１１に変形する他の場合を説明している。図３と同様に、従来の蛍光放電灯管１１は、ガラス管９の内部に内部電極１４を有している。内部電極１４はどのような形式でもよい。この内部電極１４の表面に蛍光体粒子１２ａとは異なる誘電体層１８を形成する。誘電体物質としては、例えばチタン酸バリウムなど公知の物質を利用できる。内部電極１４に対向したガラス管９の外壁面に外部電極８をAg導電膜により形成する。左右の外部電極８、８間に高周波電圧を印加すると、この外部電圧により誘電体層１８が誘電分極し、この分極電荷により誘電体層表面に電子源２と陽イオン源３が形成される。この蛍光放電灯管１１の放電発光作用も、図２と同様なので詳細説明を省略する。

　図５は、蛍光放電灯管外壁端に外部電極としてコイル状電極を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図である。この蛍光放電灯管１１は、製造工程数を極限まで減少させた本発明になる蛍光放電灯管である。製造する蛍光放電灯管１１の外壁には何も付いていない。蛍光放電灯管１１の点灯にはガラス外壁の任意の２箇所に高周波電源６と接続している細電線１６（リード線とも云う）を巻きつけ、コイル状電極８ａを形成する。このコイル状電極８ａに高周波電源６を接続すると、蛍光放電灯管はコイル状電極８ａ、８ａ間で明るく放電する。具体例で示そう。市販の３波長蛍光放電灯管 (外径20 mm)を使用し、ガラス管外壁に径が0.5 mm の細電線１６を巻いてコイル状電極８ａを形成し、高周波電源６をコイル状電極８ａに接続すると、コイル状電極８ａ、８ａ間で前記蛍光放電灯１１は点灯する。放電灯の輝度は、電線の巻数により多少増減する。これは細電線１６の断面積に相当する面積に配置した蛍光体粒子数がコイル状電極８ａの巻数で変化するからである。巻数が３周から５周で輝度は飽和する。線の断面積に換算して幅1.5 mm から2.5 mmが覆う面積で小面積である。飽和輝度は、３波長蛍光放電灯管を規定条件で点灯した時と、同一輝度である。点灯に必要な電力は、ガラス管壁に電線を巻き付けた場合、３波長蛍光放電灯管を規定条件で点灯した時の半分である。本発明になる蛍光放電灯管のエネルギー節約（約50 %）はこのように市販３波長蛍光放電灯管 (外径20 mm)を使用して実証できる。ガラス管外壁に巻く電線はプラスチックによる被覆電線でも良く、非被覆（裸）電線を使用しても変わらない。この結果は、本発明になる蛍光放電灯管の灯具を非常に簡単にする。

　図６は、外部電極としてコイル状電極、リング状電極、点状電極又は小面積電極を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図である。図（６Ａ）は、外部電極８としてコイル状電極８ａをガラス管９に形成した蛍光放電灯管１１である。細電線１６を介して高周波電源６から高周波電圧を前記コイル状電極８ａ、８ａ間に印加すると、ガラス管９の内部に急速瞬時点灯により全面発光が観察された。図（６Ｂ）は、外部電極８としてリング状電極８ｂをガラス管９に形成した蛍光放電灯管１１である。細電線１６を介して高周波電源６から高周波電圧を前記リング状電極８ｂ、８ｂ間に印加すると、ガラス管９の内部に急速瞬時点灯により全面発光が観察された。図（６Ｃ）は、外部電極８として点状電極８ｃをガラス管９に形成した蛍光放電灯管１１である。細電線１６を介して高周波電源６から高周波電圧を前記点状電極８ｃ、８ｃ間に印加すると、ガラス管９の内部に急速瞬時点灯により全面発光が観察された。最後に、図（６Ｄ）は、外部電極８として点状電極８ｄをガラス管９に形成した蛍光放電灯管１１である。細電線１６を介して高周波電源６から高周波電圧を前記点状電極８ｄ、８ｄ間に印加すると、ガラス管９の内部に急速瞬時点灯により全面発光が観察された。以上のように、外部電極の形状や構造には、種々の形式を採用できることが明らかになった。

　図７は、ガラス管９の両端部に縮径形成された小ガラス管１３、１７の外周に外部電極８としてAg導電膜を形成した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図である。この構造では、Agペーストの塗布をより厳しく管理できる構造になる蛍光放電灯管の説明図である。図２に示した蛍光放電灯管１１の構造の場合、外部電極８に高周波電源６を接続した時、30 mm以上の太い管壁に塗布した蛍光体粒子数が多くなり、蛍光体粒子を充放電するに要する高周波電源回路に流れるac電流が大きく、僅かな塗布幅の変動で消費電力が変動する。蛍光放電灯管内に流れる電流は一定で、数ミリアンペアの電流で最大輝度が得られる。だが、蛍光放電灯管の場合、消費電力は高周波電源回路に流れるac電流と電極８に印加する実行電圧の積で評価する。この評価は外部回路の消費電力であり、蛍光放電管内で放電に関与する電力とは無関係である。外部回路の電力を決める実効電圧の大きさはガスの放電条件で決められ、変更する事が出来ない。ac電流の大きさは電極８の面積に対応する絶縁体粒子数（蛍光体粒子数）に比例して増減する。本発明者の研究によれば、放電に必要な電子源２と陽イオン源３を大幅に減少させても蛍光放電灯管１１の放電に影響が無いことが分かった。そこで放電灯管内の空気を排気する内径が5 mm 前後の小ガラス管１７と封止管１３（小ガラス管１３ともいう）を蛍光放電管の両端に付け、その内壁に蛍光膜１２を塗布し、乾燥してから小ガラス管１７、１３の外壁にAgペースト膜８を長さ3 mmから5 mmの幅で塗布する。Agペースト膜８が乾燥してから、加熱炉に入れ有機溶剤と結合剤を蛍光膜から取り去る。管端の余分な蛍光膜は柔らかい布で拭き取る。一方の小ガラス管１７の先端を融解して封じる。他方の小ガラス１３を排気装置に接続し、通常の排気工程を経て蛍光放電灯管１１を作る。その他の条件は図２の場合と変わらない。図７の場合、高周波電源６を電極８に接続した時、高周波電源回路に流れるac電流が大幅に減少する。ガス放電は封じられた小ガラス管の中から始まり、ガス放電が放電灯管全体に瞬時に広がるので蛍光放電灯管の放電に変化は無く、蛍光放電灯管の点灯電力のみが大幅に減少する。

　図８は、管外径が10 mm 以下の蛍光放電灯管の外壁端にAg導電膜を塗着した本発明に係る蛍光放電灯管の説明図である。蛍光放電灯管１１の外径が細いので、特に管径の異なる排気管を付ける必要はない。蛍光膜１２が塗布されたガラス管９に規定された長さの両管端にAgペーストを塗布し、乾燥させる。ガラス管９を加熱し、有機物を蛍光膜１２から取り除いた後、ガラス端面の余分な蛍光膜１２を拭き取る。その後、一端のガラス管先端を融解して封じる。他端を排気装置に接続し、排気操作を加えると電極８の付いた細い径の蛍光放電灯管が得られる。Ag電導膜の幅は1 mm前後で良い結果が得られたが、Ag電導膜幅を1 mmに限定するものでない。金属電極の直径の大きさでCCFLの管径が規制されていたが、図６の構造を採用すると、本発明になる蛍光放電灯管には管径を規制する因子が無くなり、内径が１mm 前後の蛍光放電灯管の製造が可能となる。

　図２～図６に述べた電子源２を使用しても、市販蛍光体を使用した従来の蛍光放電灯管ではガス放電は容易に点灯しない。ガス放電の点灯が10ミリ秒以下の瞬間であり、しかも高輝度で発光する蛍光放電灯管を作るには、次に述べるように蛍光膜を構成する蛍光体粒子の個々の電気特性を制御しなければならない。

　蛍光放電灯管の蛍光膜の発光は、254 nm 紫外線 (UV) の光子が一個入射するとき、一個の可視光の光子が蛍光膜から出てくるのが最大である。UV光子は電荷を持たないので、蛍光体粒子の荷電の影響を受けず蛍光膜中の蛍光体粒子に入射する。UV光を発光するガス原子の励起はガス空間を移動する電子の動きに影響される。ガス空間の電子の挙動が今まで明らかでなかった。巨視的には運動エネルギーを持った電子は高周波と同期し、主に管軸に沿って移動しているが、微視的な電子の動きは陽光柱内でもガス原子との非弾性衝突により無作為方向に散乱し、ガス原子との非弾性衝突の確率を大きくしている。ここで注意をしなければいけないことは、蛍光膜周辺では微視的な電子の動きが蛍光膜の特性で大きく変わり、その変化が蛍光放電灯管の放電特性を大きく変えている。蛍光膜の最上層部に中性粒子が存在すると、電子は選択的に中性粒子の表面を表面電導する。表面電導電子が負電位に帯電した粒子に遭遇すると、ガス空間に軌道を曲げ、ガス原子と非弾性衝突してガス放電の点灯が発生する。非弾性衝突した電子は、運動エネルギーの一部を失うが、瞬間的に無作為方向に散乱する。この無作為方向に散乱した電子が蛍光膜の最上層に配列している蛍光体粒子に突入する。電子は蛍光体粒子を貫通できないので、最上層に配列した蛍光体粒子だけが、電子の照射を受け、電子照射による蛍光体粒子の持つ特異な物性を表す。

　蛍光体粒子が電気絶縁体であるならば、入射した電子により、粒子表面より5μm直上にSBEが瞬時に出来る。SBE量は電子の入射により積算されるので、瞬く間に蛍光膜の表面はSBEで覆われる。蛍光膜周辺でガス原子と非弾性衝突で新たに散乱した電子は、積算されたSBEの負電界よりクーロン反発を受け、蛍光膜に近寄れず、放電路に向かって軌道進路を変える。SBE量は電子の運動エネルギーが高くなると多くなる。即ち、蛍光放電灯管の入力電力が増加するとSBE量が増加する。走査型電子顕微鏡で絶縁体の表面を金薄膜で覆っても、SBEの妨害を完全に取り去ることが出来ないのと同じである。SBEの負電荷の大きさは、CL蛍光膜で調べられ、110 Vから150 V の範囲にある。

　白色に発光するハロ燐酸カルシウム蛍光体 [3Ca₅(PO₄)₃(F,Cl):Sb³⁺:Mn²⁺]は PL 蛍光体であり、陽光柱からの散乱電子の照射下で電気絶縁体の特性を持つ。ハロ燐酸カルシウム蛍光膜は、瞬時に厚いSBE層で覆われる。陽光柱を移動している電子は、SBE層の負電荷により、放電管中央軸部に押し込められる。即ち、陽光柱はSBE鞘に収められる。陽光柱の直径は蛍光膜上のSBEの影響下にある。ガス原子は中性であるのでSBEの影響を受けず、放電管中に一様に分布する。当然ながら陽光柱とSBEの間にも、また陽光柱内にも存在する。不幸にも、陽光柱で電子の非弾性衝突により発光する254 nm 紫外線の電子遷移は、Hgの励起順位⁶p から基底順位⁶sへの電子遷移であるので、Hg蒸気が存在すると、254 nm 紫外線は吸収される。吸収された紫外線は発光に関与しないで基底順位に帰る。SBEが介在すると、陽光柱で発光した254 nm 紫外線は、SBEと陽光柱間に介在するHg蒸気の吸収を受け、残りが蛍光膜に到達する。これがハロ燐酸カルシウム蛍光膜の発光が飽和する理由である。ハロ燐酸カルシウム蛍光膜上のSBE量は放電管の管径に無関係であるので、蛍光放電灯管の管径を細くするとUVを発光する陽光柱の直径が縮小し、発光する紫外線の絶対量が著しく減少する。これがハロ燐酸カルシウム蛍光膜を付けた蛍光放電灯管の管径を細くすると急激に蛍光膜の輝度が減少する理由である。ハロ燐酸カルシウム蛍光膜を付けた蛍光放電灯管からSBEを消去できれば、管径30 mm 以上の蛍光放電灯管の輝度は上昇し、また管径に依存しない蛍光放電灯管が製造できる。

　表面が物理的にも化学的にも清浄なCL蛍光体は電子の照射下でも表面にSBEを形成しない。その理由を以下に説明する。表面が清浄なCL蛍光体も電子が照射した瞬間に粒子表面にSBEを形成する。CL蛍光体の発光中心は、電子と正孔対の発光中心での再結合で発光する。粒子内で発光の引き金は発光中心に先に捕らえられた電荷が相極の電荷を引き寄せて起こる。引き寄せる力は、電荷量をＱとするとQ/rである。Ｑは1.6 x 10^-19 クーロンで一定である。ここにｒは電子ー正孔間の距離である。ｒの小さい方が吸引力は強い。CL蛍光体粒子の大きさは4 μmであり、粒子の格子数の数％を発光中心が占めるので、蛍光体粒子内のｒの平均距離は0.01 μm 前後と非常に短い。一方SBEと蛍光体粒子表面層にある正孔との距離は5 μmである。蛍光体粒子表面層にある正孔に対する吸引力は発光中心の方が遥かに強い。CL蛍光体では、電子が入射して10^-6秒経過すると、粒子内で電子ー正孔対の再結合が始まる。SBEの結合相手の正孔が蛍光体粒子表面から発光により消える。CL蛍光体粒子は電気的に中性になる。結合相手を失ったSBE電子はCL蛍光体粒子表面で自由電子となり、CL蛍光体粒子表面の電導電子となる。

　電気的に中性になった蛍光体粒子表面の表面電導で、ガス原子のイオン化エネルギー（Arで15.7 eV、Hgで10.4 eV）よりも低いエネルギーに加速した電子は、負に荷電したPL蛍光体粒子に遭遇し、進路を放電ガスの方向に変え、ガス原子と非弾性衝突をしてガス放電の点火を引き起こす。CL蛍光体粒子が蛍光膜の最上層に均一に、だが不連続に散布していると、CL蛍光体粒子はPL蛍光体粒子で囲まれているので、蛍光膜の至る所で電子がイオン化エネルギー以下に加速され、進路を撹乱されてガス放電の点火が起こる。その結果、CL蛍光体を適度に含んだ蛍光膜を作ると、蛍光膜全域に分散しているCL蛍光体粒子の所でガス放電の点火が起こり、（１）ガス放電が10ミリ秒前後の瞬時に蛍光膜の全域で始まる、（２）陽光柱は蛍光膜まで接近して存在できる。上述した蛍光膜全域に分散しているCL蛍光体粒子によるほぼ同時に始まるガス放電のミクロな点火装置による蛍光放電灯管の発光機構は、本発明者が見つけ出した。

　CL蛍光体の持つべき条件として励起電子が励起状態に留まる時間が短い方が有利である。ZnO蛍光体の減衰時定数は非常に短く、10^-6秒前後である。他の多くのCL蛍光体の減衰時定数は10^-4秒前後である。ZnOの減衰時定数に近い蛍光体に、酸素汚染なしで製造したZnS蛍光体があるが、ZnSのＳがHg蒸気と化学反応性を強く持ち、HgS (黒色)を蛍光放電灯管中に形成するので使えない。

　30 V以下の低電圧で明るいCLを発光するZnO蛍光体を使い、重量比でハロ燐酸カルシウム蛍光体70 グラム、ZnO蛍光体を30 グラム秤量し、混合装置で良く混ぜ合わせた混合粉体を作る。ZnO蛍光体の平均粒子径は、ハロ燐酸カルシウム蛍光体の平均粒子径よりも１μm小さいと良好な結果が得られる。ハロ燐酸カルシウム蛍光体の平均粒子径は4 μmであると、ZnO蛍光体の平均粒子径は3 μmである。ZnO蛍光体の混合量は混合蛍光体粉の塗布の条件により変わるので、30グラムが最適とは成らず、40 重量％から10重量％の間の値を塗布条件の相違で取ることが出来る。40 重量％以上になると、蛍光膜の輝度が下がる。5重量％以下にすると、ZnO蛍光体を混合する効果が減少する。混合蛍光体粉を蛍光放電灯管の内壁に適当な厚さに塗布すると、管径が30 mm 以上の蛍光放電灯管ではSBE鞘の消失により輝度が約 20 % 増加する。管径が3 mm 以下の細管の蛍光放電灯管の輝度は、貴重な希土類蛍光体を使用した蛍光放電灯管では弱いSBEが存在するが、改良蛍光膜を使用した蛍光放電灯管の蛍光膜にはSBEは存在しないので希土類蛍光膜よりも10 % 明るい。管径20 mm 以上の一般照明用蛍光放電灯管と、管径を10 mmにした省電型蛍光放電灯管に本発明になる安価な蛍光体混合粉を用いた蛍光膜が使用できる。

　蛍光放電灯管中で254 nm UVを発光するのは、40℃前後の温度で蒸気圧6 x 10^-3 mmHgで蒸発するHg原子のみである。45℃以上になると、水銀蒸気圧が高くなり、水銀蒸気間に相互作用が現れ、単独で孤立したHg原子からの254 nm UV光強度は抑制され、365 nm のUV光強度が強くなる。この理由で管径が30 mmの放電管でも、管径が2 mm の放電管でも、蛍光放電灯管のガス温度は40℃前後の温度に制御され、Hg蒸気圧は管径により変わらない。放電ガスの温度制御はガス原子のイオン化数で行い、高周波の波高値で制御する。管径により変わるのは、Arガス圧である。例えは、30 mmの蛍光放電管ではArガス圧は7 mmHgであるが、2.5 mmの蛍光放電管ではArガス圧は70 mmHgである。細管では放電ガス量に対する蛍光膜表面積の比が大きくなり、表面電導する電子の機会が増える。増えた表面電導電子を有効にガス放電に利用するには、電子の平均自由工程を短くする。それにはより周波数の高い高周波を電極に印加する。更にArガス圧を増加させると、加速電子とArガスが会合する機会が増加する。

　図９は、蛍光放電灯管の外部電極に印加する高周波電圧の1波長の波形説明図である。ガス原子のイオン化とガス原子の励起にはサイン波の高周波を使用するよりも、図９に示したパルス波形の高周波の使用が有利になる。電極直下で分極する絶縁体粒子に自由電子を集めるには、絶縁体粒子周辺のガス原子を瞬間的にイオン化する必要がある。と同時に、電極に印加する電位V_iの数倍の電位を絶縁体粒子に誘起する必要がある。その目的を果たすのが図９に示した短時間の尖端電圧V_iである。従って、V_iはイオン化電圧といっても良い。V_iの値は0.8 kVから5 kVの間の値を取る。多くの場合V_iの値は1.5 kVから2kVである。V_iの時間は１パルス波長の20分の１から10分の1とする。50 kHzの高周波を印加する場合、１波長の期間は1 μ秒であるので、V_iの期間は0.1μ秒から0.2 μ秒の間にある。尖端電圧V_iに続いてガス空間と蛍光体粒子表面に1方向の電界を印加して電子加速電圧V_eが続く。経験的に求めたV_eの値は300 Vから600 Vの間の値を取るが、V_eの値は管径により変化する。

　図１０は、蛍光放電灯管１１の外部電極８に印加する高周波電圧の1波長の変形波形説明図である。図１０に示したパルス波形の高周波を電極に印加した方が、サイン波の高周波を印加した場合よりも良好な結果が得られるが、回路が安価に出来るサイン波による高周波の印加を利用することも出来る。図１０に示した高周波パルス波形は図９の一変形パルス波形である。図１０の高周波パルスの印加の方が幾分か有利であるが、電子源の形成に決定的な因子ではない。図９と図１０のどちらも使用できる。

　現在使用されているCCFL蛍光放電管 (内径0.25 cm、長さ73 cm)中に含まれるガス原子の数を求め、蛍光放電灯管内の放電に必要な電流値を試算する。CCFLの内容積は7 cm³、封入ガス圧は70 mm Hgであるので0.1 気圧（70 mm Hg/760 mm Hg）である。１モルのガスの体積は22.4 x 10³ cm³であるので、封入ガスのモル数は 3 x 10^-5 モル(= 0.1 x 7 /22.4 x 10³)となる。1モルに含まれるガス数はアボガドロ数 ( 6 x 10²³/モル)で与えられるので、2 x 10¹⁹ 個 (= 6 x 10²³ x 3 x 10^-5)のArガス原子がCCFL中に含まれる。一個の電子が一秒間に一個のAr ガスと非弾性衝突をすると仮定すると、必要な電流は3 アンペア（= 2 x 10¹⁹ Ar/6 x 10¹⁸ 電子/秒）と計算され、非常に大きな値になる。この計算には放電に使う電子は非弾性衝突をしても失われず、反復して使用する事実を考慮していない。電子の平均自由工程は0.2 μmであるので、CCFL内で一個の電子が繰り返し使用する回数は毎秒当たり2.6 x 10⁶ 回 (= 73 x 10⁴μm/0.2 μm)となる。この補正を加えると、必要な電流値は 1.1 x 10^-6 アンペアー (= 3 / 2.6 x 10⁶)となり、非常に少ない電流値になる。この電流値は現実的でない。ガス原子が励起状態に置かれている時間はEinsteinの常数で与えられ、その値は10^-8秒である。励起状態からガス原子に戻ったArガスは、再度電子と非弾性衝突が出来る。

　統計学によればAr ガスの励起は、電子によるAr ガスの置換型サンプリングである。置換で励起ガス原子がガス原子に戻る時間は、本発明になる蛍光放電灯管の場合、ZnOの発光の始まる時間内で、その時間はZnOの発光の減衰時間と仮定すると10^-6秒である。10^-6 秒の間に基底状態に戻る原子の割合は 10^-6/10^-8で与えられ、Arガス濃度は見かけ上100倍に増加する。従って内部放電回路に流れる電流は、1 x 10^-6 アンペアーの10²倍となり、1 x 10^-4 A = 0.1 mAとなる。CCFL内に含まれる全Arガス原子を励起するに必要な内部回路の電流は0.1 mA 付近で与えられると考えれば、0.1 mA の少ない電流で蛍光膜からは毎秒10²¹個 (= 2 x 10¹⁹x 10² = 2 x 10²¹) 以上の光子が蛍光膜から出る計算に成る。蛍光膜から毎秒10²¹個以上の光子数の放出は照明光源として十分な光子数である。このように蛍光放電灯管内に含まれる全ガス原子を励起するに要する電子数（電流）は極度に少なく、Arガス圧と電極に印加する高周波の条件で最適化できる。この電流値は蛍光放電灯管の外部回路で検出する電流とは異なる。従来の直径30 mmの蛍光放電灯管中に流れる電流は0.2Aから0.5Aであるが、放電管中のガス原子を最大効率で励起していなかった。開発した蛍光放電管中に流れる電流は200分の１から500分の１に減少しても、ガス空間中のHgガスを最大限に励起する効率が100 %の蛍光放電灯管である。以上の計算は254 nm UVを発光する量子効率の検討である。蛍光放電灯管で254 nm UVを可視光に変換する蛍光膜の介入が必要である（ストークスの法則）。ストークスの法則によるエネルギー減少は約50%であるので、蛍光放電灯管の可視光への最大エネルギー変換効率は50%である。

同じように30 mm のHCFLでArガス数を計算すると、管当たりのArガス量は１桁多くなるが、ガスの単位体積当たりで計算すると、1桁少ない。HCFLの方が単位ガス体積当たりのガス励起数が1桁近く少い。上記計算はArガスで計算した。Hg ガスで計算すると1桁小さくなるが、励起ArからのエネルギーはHg の励起に伝達すると言われている。この説を採用するとAr ガス数の計算で蛍光体の発光強度が決まると考えて良い様だ。

　上記した計算から明らかなように、本発明になる管径が細い蛍光放電灯管では、蛍光放電灯管内に封入するガスを最小のエネルギーで最大限に利用するので消費電力の節減は極限に近いと言える。一方、現在生産している直径30 mmの蛍光放電管のArガス圧は十分の一の７mmHgである。放電管内の電子がArガスを励起する数は十分の一に低下する。直径30 mmの蛍光放電管の陽光柱中内には未励起Hg蒸気も含まれ、陽光柱内で発光した254 nm 紫外線が陽光柱内で自己吸収されるので、単位面積当たり蛍光膜に到達する254 nm 紫外線量が細管のCFFLよりも少なくなる。直径30 mm の蛍光放電灯管のArガス圧を10倍にし、細管の場合と同じ条件の高周波を外部電極に印加すると、30 mm の蛍光放電灯管は消費電力を半減し、陽光柱内での自己吸収が無くなるので輝度が3倍以上と増加する。輝度の増加した直径30 mm の蛍光放電灯管は既存の蛍光放電灯器具を使用し、蛍光放電灯管数を半減しても明るい照明光源となる。放電灯器具内の大きくて重い点灯器具を小型で軽量な高周波電源回路と置換するだけで取替えは容易に出来る。

　放電管内の消費電力は高周波の実効電圧が1～２ x 10³ V前後であるので、0.1～0.2 Wと計算される。だが放電管内の電力は直接に測定する方法はない。実質では、管外に付けた電極に印加する実効電圧と電流で蛍光放電灯管の消費電力を評価する。電源回路に流れる電流は電極直下に塗布した蛍光体粒子の充放電に使われるだけで、放電灯管内部の電流とは対応していない。この方法で測定される電流を最小にするには、電極面積を最小化すると良く、数ワットで蛍光放電灯の点灯が可能である。この値は10 mmの管径にある蛍光放電灯管を幾重にも曲げて作られる省電型蛍光放電灯ランプの更に数分の一になる消費電力に減少しても、放電灯内部の電流は変わらず、蛍光膜から取り出す可視光の光子数の効率は理論最大値の50 % 近くなる。これは不要であった陰極電圧降下のエネルギーの消去と、蛍光膜上のSBEを消去し、放電管中の陽光柱を放電管壁にまで広げた改善により達成する。

　このように、簡単な構造で陰極電圧降下を消し、蛍光放電灯管内の含有ガス原子を最大限に発光に関与させ、利用することにより、省電であるにも関わらず、蛍光放電灯管からは高輝度が得られる。更に安価で資源の豊富な蛍光材料の使用により製造単価を格段に引き下げる。蛍光膜全面が高輝度で瞬時点灯し、寿命に関与する因子の除去により超寿命でしかも安価な省電型蛍光放電灯を、本発明は一般照明用光源として提供する。従来の蛍光放電灯に使用していた大型で重量のある安定器に替え、非常に小型軽量な高周波電源装置で本発明になる蛍光放電灯は点灯する。小型軽量な電源装置は従来の蛍光放電灯管の器具の一端に収納できるので、取り換え工事は容易である。

　図１１は、本発明に係る複数個の蛍光放電灯管１１を平面基板上に並列に配置し、複数個の蛍光放電灯管１１を束ね、眼の残像時間より短い時間で順次点灯する低消費電力型の平面型光源２０の構成図である。線順次に放電灯を点灯移動させるには、スイッチ２１の順次開閉を電子回路（図示せず）で制御すればよい。即ち、本発明になる複数個の蛍光放電灯管１１を平面に配置し、光拡散板（図示せず）と組み合わせて平面型光源２０（平面型蛍光ランプ）が提供できる。更に、平面に配列した蛍光放電灯管１１を単独または複数個を纏めて、眼の残像効果の働く時間内（約30 m秒）で順次に点灯すると、眼でちらつきが検出されない平面型光源２０となり、大きな省電にも拘らず高輝度な平面ランプとなる。この平面型光源２０の消費電力は、過去に開発された他のどの平面型ランプよりも少なく、高輝度である。その上、この平面型光源は発熱が殆んどないので、天井や壁面に複数個並べて、又は間隔を置いて設置し、影の薄い部屋の照明光源となる。取り換え工事費が必要であるが、その負担をしても、生涯経費は非常に安価で、快適に照明された家庭の居間が得られる。

　本発明になる蛍光放電灯管の蛍光膜はハロ燐酸カルシウム蛍光体に限定されない。高価な希土類蛍光体粉を使用しても差し支えない。特に、液晶表示装置（ＬＣＤ表示装置）のバックライトは、LCDスクリーンに映し出される映像の色再現域が重要な要因になるので、希土類蛍光体の使用が必要である。この場合、低電圧蛍光体の役割を果たすのが赤色蛍光体である。しかし、赤色CL発光蛍光体の臨界発光電圧は110 V から 150 V と高いので、赤色蛍光体表面に僅かにSBEが形成され、陽光柱と蛍光膜の間に僅かな間隙が出来る。この間隙を完全に消去するには、20 V でCLを発光するZnO蛍光体粉を混合蛍光粉に対して10から20 重量％添加すると良い。ZnO蛍光体粉はPLを発光しないので本発明になる蛍光放電灯管を使用しても発光色には問題が発生せず、輝度が 10 %前後増加する。現在、CCFLに使用している希土類蛍光体を使用しても、図１～３に図示した放電管の外部電極は、放電管の熱の発生を抑制し、省電で高輝度を得る大きな利点としたLCD表示装置のバックライト用蛍光放電灯管となる。特に、内径１ｍｍの蛍光放電灯管が製造できるので、バッテリー駆動で稼動するノートブック型ＰＣやそれよりもサイズが小さい携帯機器の液晶表示装置に、瞬間点灯、高輝度、低消費電力、長寿命、超薄型の利点を発揮する本発明の蛍光放電灯管は最適である。

　従来、小型表示装置の端末に低電圧CL蛍光体を使用した蛍光表示管が多く使用されていたが、短寿命に問題があるので、蛍光表示管を使用した端末表示装置は、本発明になるバックライトを使用したLCDに置き換わると考える。

　更に、本発明になる蛍光放電灯管は、低消費電力であるにもかかわらず高輝度で発光する究極的なエネルギー変換効率の良い光源であり、光の放射に伴う熱の発生は殆ど無いので、次の利用が出来る。内径１mm前後の本発明になる蛍光放電灯管の複数個を平面に並べ、光拡散板（図示せず）と組み合わると、影が極度に減少する平面型光源になる。平面に配列した単数の蛍光放電灯管、又は複数個の蛍光放電灯管を束ね、５０サイクル以上で順次に点灯すると省電効果は更に大きくなる。高輝度、軽量、省電、数ミリと薄い平面型照明光源は、病院の手術台の照明、特殊精密工作台の照明、工場の精密工作台の照明、学習机の照明、壁面に懸垂して居間の照明等の光源に最適である。眼は影の極度に薄い映像を長時間眺めていても疲労しない。端末表示装置が最も多く採用されているのは、自動車に搭載されている端末である。本発明になるバックライトは2 mm 前後の薄型で、他の表示装置よりも高輝度で長寿命であり，放電灯管内に懸垂する部品はゼロであるので、機械的振動にも耐える。この理由で、車載するLCD表示装置のバックライトとしても、又は、
車内照明光源としても最適である。本発明になる蛍光放電灯を平面に配列し、光拡散版と組み合わせ、その上に映像をプリントしたプラスチック膜を張り合わせると、屋内外の壁に静止映像を表示する装置にも最適である。

　図１２は、本発明に係る複数個の蛍光放電灯管１１を並列配置した平面型光源２０に２本の細電線１６、１６を配設して同時点灯させる平面型光源２０の構成図である。高周波電源６の両端に接続された細電線１６、１６は、複数本の蛍光放電灯管１１・・を横断して図示の如く配置され、点状電極８ｃ、８ｃにより蛍光放電灯管１１の外表面に固定されている。高周波電圧を印加すると、全ての蛍光放電灯管１１・・が瞬時に全面発光することが確認された。蛍光放電灯管１１・・の発熱は殆んど無く、高周波消費電力は、本数を増加させてもそれほど増大しないことが確認された。

　本発明の蛍光放電灯管によれば、外部電極を利用するため、陰極電圧降下が無くなって省エネルギーに貢献でき、複数本の蛍光放電灯管を同時駆動する場合でも電力消費は極めて小さく、本数の増加にそれほど依存しない。また、ＣＬとＰＬ蛍光体と組合せると、急速瞬時点灯及びガラス管内の全面発光が可能で、輝度及び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、金属陰極の損耗及び放電ガスの損耗が無いから蛍光放電灯管を長寿命化できる。本発明の蛍光放電灯管複数本を並列させて平面型光源とすれば、業務用・家庭用の照明器具として、効果的に使用することができる。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。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。

Claims

放電用媒質を充填したガラス管の両端部の外壁面に外部電極を配置し、前記外部電極に高周波電圧を印加して点灯させることを特徴とする蛍光放電灯管。
前記ガラス管の前記両端部は縮径された小ガラス管から形成され、前記小ガラス管の外壁面に前記外部電極を配置した請求項１に記載の蛍光放電灯管。
前記外部電極は前記外壁面に成膜された導電膜電極である請求項１又は２に記載の蛍光放電灯管。
前記外部電極は前記外壁面に形成されたコイル状電極、リング状電極、点状電極又は小面積電極である請求項１又は２に記載の蛍光放電灯管。
前記ガラス管の内壁面に蛍光膜が塗着され、しかも前記外部電極に対向した位置であって前記ガラス管の前記両端部の内壁面にも、前記蛍光膜が塗着されている請求項１～４のいずれかに記載の蛍光放電灯管。
前記蛍光膜の表面において、ガラス管軸方向に、ＰＬ蛍光体粒子とＣＬ蛍光体粒子が交互に分散配置されている請求項５に記載の蛍光放電灯管。
前記蛍光膜が、ハロ燐酸カルシウム白色発光ＰＬ蛍光体粉と電子線照射下で白色発光するＣＬ蛍光体粉の混合粉から形成される請求項６に記載の蛍光放電灯管。
前記蛍光膜が、希土類ＰＬ蛍光体粉とＺｎＯからなるＣＬ蛍光体粉の混合粉から形成される請求項６に記載の蛍光放電灯管。
前記高周波電圧がパルス高周波電圧である請求項１～８のいずれかに記載の蛍光放電灯管。
請求項１～８のいずれかに記載された蛍光放電灯管の複数本を平面状に配列して平面状蛍光放電灯管群を形成し、前記平面状蛍光放電灯管群から放射される可視光を拡散する光拡散板を設けたことを特徴とする平面型光源。
請求項１～８のいずれかに記載され且つ内直径が５ｍｍ以下に調整された蛍光放電灯管の複数本を平面状に配列して平面状蛍光放電灯管群を形成し、前記蛍光放電灯管を線順次に放電点火して消費電力を減少させることを特徴とする平面型光源。
請求項１０又は１１に記載の平面型光源を背面光源として使用することを特徴とする液晶表示装置。