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标题: 背光源用冷阴极荧光灯管ccfl解析 [打印本页]

作者: admin 时间: 2018-9-12 16:51
标题: 背光源用冷阴极荧光灯管ccfl解析
摘要：本文分析了国外背光源用冷阴极荧光灯的发展情况、现状及近期的发展动态，特点以及生产冷阴极荧光灯的现状和近期的研究成果、研究方向。
一、序言
背光源用冷阴极荧光灯管(ccfl)从上个世纪九十年代初开始在日本面世以来，由于其具有灯管细小、结构简单、灯管表面亮度高、灯管温升小，便于加工成各种形状、寿命长等等优异的特性，迅速在各种类型的背光源、扫描器中得到广泛的使用。随着冷阴极荧光灯管自身技术的发展和信息技术、办公设备、日用产品的迅猛发展，冷阴极荧光灯管的应用范围也越来越广，需求量也急剧增长，尤其是近二年来通信设备向高性能化、多机能化和精细化发展和lcd背光源用灯管向大尺寸、长寿命发展，对冷阴极荧光灯管提出了各种各样的特殊要求，促进了冷阴极荧光灯管性能的提高，反过来又促进了应用的扩大。目前全世界冷阴极荧光灯的月产量已达到2500万支以上并仍在迅速地增长。
二、阴极荧光灯管的发展和现状
冷阴极荧光灯管从上世纪九十年代初在日本被用于背光源照明以来，随着应用范围的扩大，灯管本身的制造技术也得到迅猛的发展。例如在：
1.灯管直径方面：
随着冷阴极荧光灯应用范围的越来越广、越来越精密化，对灯管直径也逐年向更细小的方向演变。在90年代初冷阴极荧光灯刚刚被推广使用时，主要使用灯管外直径为Φ4.0mm的冷阴极荧光灯。到1993年以后背光源用冷阴极荧光灯的主流是采用外径为Φ3.0mm的灯管。到1995年之后外径为Φ2.6mm的灯管开始主导市场，并且更开始向外径Φ2.4mm、Φ2.2mm方向变化。到上世纪末已开始使用外径Φ2.0mm的灯管。本世纪初在掌上电脑、数码相机等小型化的用途中更细的Φ1.8mm的灯管也已大量供应市场。最近又有采用Φ1.5mm外径，壁厚0.2mm的冷阴极荧光灯管的报导。
冷阴极荧光灯具有管径变细时会提高灯管表面亮度的特性，特别是在精细的背光源组件中由于管径变细，光线的入射效率会相应地提高，这可以有效地提高背光源板面的亮度。灯管管径细化促进了冷阴极荧光灯制造技术的提高，更进一步促进了冷阴极荧光灯应用领域的扩大。
2.灯管玻璃材料方面：
在冷阴极荧光灯管开始应用初期，所用的灯管玻璃材料绝大部份是使用钠钙玻璃(或称苏打玻璃、属软玻璃类)。由于软玻璃中所含杂质气体较多，而软玻璃的软化温度较低，不能进行较高温度除气，玻璃中的活性金属如钠、钾、钙等容易析出而与汞产生化合物，这样用软玻璃制的冷阴极荧光灯因使用过程中排放的杂气较多，对汞的吸收较多而限制了灯管的使用寿命和发光亮度。到1995年左右日本生产冷阴极荧光灯的主要企业开始逐渐改用硬玻璃(即高硼硅酸盐玻璃，膨胀系数38～40×10/℃)做灯管，由于硬玻璃中含杂质气体较少，而且除气温度允许较高，玻璃中活性金属的含量较少，固而灯管在使用中寿命较长，可以达到3万～5万小时，但是硬玻璃灯管对加工封接等技术要求比较高。有些灯管生产企业无法掌握，之后又出现了介乎二者之间的中间玻璃(又称钼组玻璃或铬玻璃，膨胀系数46～62×10/℃)。其使用性能和寿命也介乎二者之间。目前背光源用的冷阴极荧光灯在日本、欧美等地区主要用硬玻璃制的灯管。在台湾、中国大陆仍主要使用软玻璃或中间玻璃制的灯管。但对使用要求高的地方仍必须使用硬玻璃制的灯管，这是冷阴极荧光灯的发展方向。3.电极的改进：
冷阴极荧光灯应用的初期，对灯管的非发光部份(即电极部份)一般要求在10mm左右。常用的水银封入方法是在电极上装着水银药剂。由于当时灯管内径较大，灯管非发光部份也允许较长，用上述方法可以满足用户的要求，但随着冷阴极荧光灯的发展，灯管直径逐渐变细，应用上的精细化要求对灯管的非发光部份(包括导线的焊接点和保护套一起)最大只允许7mm，而灯管内电极端到灯管玻璃密封端只允许最大5mm。灯管直径变细要求电极相应变小，非发光部份缩短要求电极也变短，这样在电极上装水银药剂已不能满足灯管对水银量的要求，必须要使电极同水银药剂分离，采用从外部导入水银的方法来解决。这样可以缩短电极自身的长度，同时还要在灯管外侧的焊接点和保护套上下功夫。
在电极材料上，目前广泛使用的是镍管或镍片做电极，镍管或镍片电极是由致密金属组成，其表面积相对较小，表面吸附的发射材料较少，因而影响到电极性能的发挥。最近有报导冷阴极荧光灯电极材料使用多孔的烧结材料，这样可增大电子发射面积，可以吸附更多的发射材料，有利于降低电极上的能量损耗。
4.水银加入量的改进：
在冷阴极荧光灯中，必须加入水银，利用水银蒸气激发产生的紫外线来激活荧光层使其产生一定色温的可见光使灯管发亮。一支内径Φ2mm，长约250mm的冷阴极荧光灯中理论上应当充入0.4～0.6毫克的水银才能使灯管正常工作。在90年代初期冷阴极荧光灯开始应用时，水银均是按理论量加入的。但是随着冷阴极荧光灯的普遍使用，对灯管提出了各种各样特殊要求，也促进深入地研究冷阴极荧光灯各种性能之间的关系。发现，当要求灯管长寿命工作时，由于灯管材料(如电极、玻璃、荧光层等等)会与水银蒸气产生复杂的化学和物理反应，逐渐消耗掉水银，使灯管由于缺乏水银蒸气而产生电极发红，灯管亮度下降，整支灯管亮度不均匀，灯管寿命下降等等问题。近年来，大部份冷阴极荧光灯制造企业均通过成倍增加水银的含量来解决上述缺陷。目前在上述规格的灯管中，水银加入量可达到2.5毫克左右，这样在新制造的灯管内壁经常可以看到大粒的水银珠或成片弥散的水银小点存在。一般它不会影响灯管的使用性能，尤其是在灯管点亮后在工作表面上一般不会看到水银黑点。尤其是在工作一段时间后大颗的水银珠均会消失。
三、国外冷阴极荧光灯管的发展动向
近期随着冷阴极荧光灯管应用范围的扩展，不同的应用领域对冷阴极荧光灯提出了不同的独特的性能要求。为了适应客户的特殊需要，冷阴极荧光灯生产企业均投入了大量的技术力量和资金，针对不同应用范畴开发新的产品：
1.向提高发光效率、降低能耗的方向发展
在笔记本电脑、掌上电脑、小型显示器用背光源等等使用电池的条件下，降低能耗，延长电池的使用寿命对使用者会带来很多方便。为此要求冷阴极荧光灯降低功率，也即是减小管电流，而背光源亮度不能大幅下降。这样就需要：(1)增加灯管内水银蒸气含量和压力以提高灯管的发光效率；(2)改变灯管内径。在同样条件下灯管内径变细，其表面亮度增加，因而需要选用最合适的灯管功率和灯管内径的配合，以获取最佳的发光效率；(3)改进荧光层，提高其将紫外线向可见光转换的效率。有资料介绍优质的荧光材料其紫外线吸收率可提高到97％以上。同时，适当控制涂层的厚度是极其必要的。2.向延长冷阴极荧光灯管的寿命方向发展
对在彩色电视机用液晶显示屏和大型的液晶显示屏的背光源用冷阴极荧光灯要求有较长的寿命。需要从原来的保证寿命最小1万小时，延长到最低2.5万小时，而且更希望达到4～5万小时以上。这样就需要研究：
(1)增加灯管内封入的水银量而又不影响初期时灯管的外观质量。由于封入的水银越多，对延长灯管寿命越有利，但是大量的水银沉积在灯管内电极附近和荧光层上，产生许多黑点和成片的雾状污点，容易被用户误认为外观缺陷而判为不良品。这需要与用户勾通达成共识。此外还要研究如何使灯管内水银分散分布的方法；
(2)研究增加灯管电极的表面积方法，通常认为灯管电极表面积越大，灯管寿命越长；
(3)研究降低灯管工作管电流而又不严重影响背光源亮度的方法，通常灯管工作管电流越低灯管的寿命越长。
3.向使冷阴极荧光灯能快速启动的方向发展
冷阴极荧光灯制的背光源虽然已在掌上电脑、数码相机、小型笔记本电脑中广泛使用，在车载用卫星定位仪显示板及寒冷地区使用也逐渐推广使用，但是在这些用途中均需求冷阴极荧光灯能快速启动达到正常工作状态。为此国外主要的冷阴极荧光灯生产企业都在减少灯管及电极的散热上进行了大量工作：(1)研究开发了双层冷阴极荧光灯。其内层是一支正常的冷阴极荧光灯，在外面套一支透明的玻璃管，外层灯管封接在内层相应的泡头上，在二层之间抽真空或通入微量气体，这样就形成如热水瓶胆类似的结构，内层灯管电极产生的热量由于双层玻璃的隔热作用热量不会传到双层管表面散失。它既能快速启动进入正常工作状态，还更适合于在极寒冷地区工作，是目前冷阴极荧光灯发展的重要方向之一。但由于内外层灯管温差较大，在泡头上封接时易产生巨大内应力致使泡头开裂，影响双层管的成品率是需要重点攻克的难题；(2)改进电极结构，控制通过电极向外散热的数量使电极上产生的热量主要用于灯管的启动和点灯；(3)研究合适的点灯回路，可以在点灯初期向冷阴极荧光灯提供较高点灯电压，使之快速地启动，然后逐步降低电压回复到正常的点灯状态。这需要根据各个冷阴极荧光灯生产企业生产的灯管的特性，设计配置相应的合适的点灯回路，以适应客户的需求。
4.向灯管高亮度的方向发展
在大型液晶显示屏上使用时需要使液晶画面上的亮度达到笔记本电脑画面亮度的3倍以上。通常要增加灯管的工作电流以增加光量。虽然荧光灯管的表面亮度随着灯管电流的增加而加大，但是相应地会产生灯管内温度上升，使发光效率下降，同时会降低灯管的工作寿命，因此为了提高灯管亮度必须研究：1)研究灯管直径，封入气体的种类和气体的压力的关系，使之适应在大电流工作时发光效率不致下降的参数，也即是研究设计力图增加亮度的灯管参数；2)研究开发适合于大电流下工作的电极材料及电极材料的结构；3)研究提高紫外线向可见光转换效率的荧光粉以及研究控制涂膜厚度和提高荧光粉粒度控制技术是非常必要的。四、我国冷阴极荧光灯的现状和研究成果
我国目前大批量生产的优质冷阴极荧光灯的玻璃灯管全部采用进口的硬质玻璃管(高硼硅酸盐玻璃，膨胀系数为：40×10/℃)。电极使用进口的钨镍焊接电极，荧光粉采用进口的稀士三基色荧光粉。经过一百多道生产工序，可以生产出符合客户的各种性能要求的冷阴极荧光灯管，其点灯寿命普遍可以达到3万小时左右。冷阴极荧光灯管外径可以从Φ1.8mm到Φ6.0mm，长度从60mm到1米左右，可以加工成圆形、Ｌ形、匚型、Ｗ型等等特殊形状。灯管中不含铅，含汞量根据灯管规格不同而不同，常用的外径2.6mm，长250mm，灯管中含汞约2.5毫克，约为理论值的5倍左右。根据用户的使用要求，灯管的工作电流可以从1毫安到10毫安之间选定。灯管允许使用的频率范围在30khz～80khz之间，推荐使用的频率为50khz左右。
目前，随着信息技术的快速增长，通迅设备日益向高性能化、多功能化、兼容化、小型化、长寿命化发展，对冷阴极荧光灯的使用，尤其是作为背光源使用的冷阴极荧光灯管也按照不同用途提出了各式各样的越来越高的性能要求。为了适应市场的需求，各企业投入了大量的力量进行产品、技术的开发研究，获得了许多成果。
1.开发研制了新结构的冷阴极双层管荧光灯
为了适应寒冷地区室外或交通工具上使用的液晶显示器背光源的要求，使在零下几十度温度下点灯后，冷阴极荧光灯也能快速地启动。已经开发研究并生产出了双层管荧光灯。为了更进一步提高冷阴极双层荧光灯管成品率，减少使用中由于热应力集中而导致灯管泡头部份爆裂，还研制出了新型结构的双层管荧光灯(中国发明专利号01141186.4还在申请美国、欧洲、加拿大、澳大利亚专利)，并已提供样品给用户试用，其性能已超过日本某知名公司的同类产品。
2.能快速启动的冷阴极荧光灯
为了适应某些用途的背光源要求快速启动的要求，对电极结构进行了改良并已取得良好的效果，其成果已申请了中国专利(专利号：01234286.6)及美、欧、日等国专利。目前该类产品已向用户提供样板进行试验。同时在冷阴极荧光灯的点灯回路上进行了改进，使其与灯管特性更好地配合，能更快地启动冷阴极荧光灯，目前已有良好的进展。
3.长寿命的冷阴极荧光灯
对大规格的液晶显示屏用的背光源，要求其使用寿命要大于3～5万小时，而目前普遍使用的冷阴极荧光灯使用寿命在1～2万小时之间。为了提高灯管寿命，研究改进了灯管的工艺参数，同时又对组成灯管的结构材料进行了研究和试验，并取得了明显的进展，其成果已申请了中国专利(专利号：01234287.4)目前已能制造出点灯寿命大于3万小时的冷阴极荧光灯管，并已投入了批量生产。
4.高效率、低能耗的冷阴极荧光灯
使用电池作能源的一些液晶显示器背光源要求灯管功率减小，额定工作管电流只有1～2毫安，而灯管表面亮度仍要求达到1.5万cd/m左右。需在制造灯管的工艺参数上进行大量研究，对制作灯管的材料上进行更高要求的选择，从而制造出了符合客户要求的灯管，提供给用户试用。

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