論文の公開元へHigh luminescence and optical fast-response technology for cold cathode fluorescent lamp with large-size liquid crystal display
概要
本論文では、動画対応の大画面・高画質 LCD に対応する高性能 CCFL の提案を目的に、CCFL の発光特性を把握し、それを踏まえて蛍光体の高速応答材探索、および高輝度化開発を検討した。また、それら結果をもとに、高性能 CCFL を実現できる構成について検討した。本論文はこれらの研究成果をまとめたものである。全体を 5 章で構成し、各章での結論を以下にまとめる。
第 1 章では、本研究の対象である LCD 用光源 CCFL の技術背景、構成及び、その課題について述べた。また、本研究における取り組み、本論文の構成を明確にした。
第 2 章では、LCD 動画性能を向上する上で必須となる CCFL 高速応答化技術の確立を目指し、まずは現行 CCFL の輝度応答特性に関わる因子の抽出と、その定量化を行った。さらに、輝度応答特性に起因する色度変化を新しい課題として抽出した。また、 CCFL 高輝度化の足掛かりとなる CCFL 用蛍光体の開発指針を明確にする目的で、CCFL管内で発生する各種紫外線の蛍光体発光特性に対する寄与率ついて検討した。その結果、以下の結論を得た。
（ １） CCFL 管内で発生する紫外線応答は立上り、立下りとも時定数は約 0.2msec であり、通常使用する CCFL の周囲温度や Duty では、ほとんど変化しない。
（ ２） 青色蛍光管の応答は紫外光応答時定数と同じであり、青色蛍光体の応答は非常に速い。従って、CCFL における青色の応答は紫外光応答特性で決まる。赤色蛍光管、緑色蛍光管ではそれぞれ応答時定数は 1msec、3msec である。紫外光応答時定数より長く、CCFL における赤色及び緑色の応答は、蛍光体応答特性で決まる。これらの時定数は、通常使用する CCFL の周囲温度や Duty では、ほとんど変化しない。
（ ３） CCFL の応答特性は、最も応答の遅い緑色蛍光体の応答特性で決まり、CCFL の高速応答化には緑色蛍光体の高速応答化が必要である。
（ ４） CCFL の輝度応答に起因する色度変化は、輝度立下り時に最大で Δu’,v’=0.12 のずれを生じ、緑色側にずれる。これは緑色蛍光体の応答特性が影響するものであり、高速緑色蛍光体の開発により改善すると期待できる。
（ ５） 蛍光体発光に関わる CCFL 内で発生する紫外線には大きく 2 種類（ 185, 254nm）あり、185nm 紫外線励起の寄与は非常に大きく、その寄与率は 40～ 50%である。 254nm 紫外線励起の寄与率は、その残り分 50～ 60%である。185、254nm 紫外線以外の紫外線（ 297, 313, 365nm 紫外線）の放射は、各々254nm 紫外線の約 2%と非常に小さく、蛍光体発光特性にほとんど寄与しない。CCFL 用蛍光体開発は、254nm 紫外線励起での発光特性に加え、185nm 紫外線（ 真空紫外線）励起での発光特性も考慮する必要がある。
第 3 章では、第 2 章で得られた結果に基づき、蛍光体材料の検討及び開発を行った。特に高速応答可能な緑色蛍光体の探索、 真空紫外線励起も考慮した現行緑色蛍光体 LaPO4 :Tb,Ce（略 LAP） および現行赤色蛍光体 Y2O3 :Eu の高輝度化について検討した。その結果、以下の結論を得た。
（ １） 高速応答緑色蛍光体探索に関し、Aluminate 系、Silicate 系、Halide 系、Oxide 系の母体材料を有する Tb 付活蛍光体では、現行品に比べ速い応答特性を有する。特に Halide 系 LaOCl:Tb や Oxide 系 Y2O3 :Tb では応答時間が 2msec 以下と非常に短い。ただし、輝度は各蛍光体で大きく異なる。Silicate 系、Halide 系 LaOCl:Tb で相対輝度 70～ 80%であり、Oxide 系 Y2O3 :Tb では 30%以下である。輝度と応答特性の両立を考えると Y2SiO5 :Tb に代表される Silicate 系と LaOCl:Tb が有望である。
（ ２） 高速応答緑色蛍光体探索に関し、母体結晶中の Tb 位置対称性（ 反転中心の有無） と応答時間との間に相関が見られ、反転中心を持たない場合に τoff=4 ～ 6msec 程度の比較的短い応答時間が得られる傾向にある。
（ ３） 現行緑色蛍光体 LAP 組成に関し、Ce/Tb 比 1.6 から 1.7 で、Tb 量を増加させた新しい組成比を有する LAP を合成し、254nm 励起、172nm（ 真空紫外線）励起で現行品を超える輝度を得た。さらに、これまでに蛍光体メーカから入手した LAP 以上の輝度を有する LAP を得た。輝度は、室温において、現行品 BD050に比べ、254nm 励起では約 9%、172nm 励起では約 2%向上できた。
（ ４） 上記組成では現行品より Ce 量が増加するため、温度消光が懸念される。しかし、CCFL 温度範囲（ 60～ 100℃）では、温度消光は観測されず、現行品より高い輝度を得られることがわかった。60℃において現行品 BD050 に比べ、254nm励起では約 9%、172nm 励起では約 3%向上できた。
（ ５） 現行品赤色蛍光体 Y2O3 :Eu3+の Y 部を Gd で置換した (Y,Gd)2O3 :Eu3+の発光特性と温度特性に関し、254nm 励起と 172nm 励起での焼成温度依存性から、Y/Gd＝ 1/3 程度が組成として適当であり、254nm 励起と 172nm 励起での高輝度化を両立できる。また、254nm 励起輝度と 172nm 励起輝度では、Eu 濃度依存性の傾向が異なり、その高輝度化の両立と温度特性を考えると Eu 濃度は 3.5mol%程度が望ましい。また、Gd 置換による応答特性の改善がわずかに見られ、τon ＝ 2.7msec、τoff＝ 2.1msec である。
第 4 章では、第 2 章及び第 3 章で得られた結果をもとに、動画対応 LCD 向け CCFLの課題、すなわち高輝度化、高速応答化、色度変化抑制、を同時に解決できる可能性のある CCFL 設計について検討した。その結果、以下の結論を得た。
（ １） 高輝度 LaPO4 :Tb,Ce に高速応答可能な Y2 SiO5 :Tb,Ce もしくは LaOCl:Tb,Ce を混合した混合緑色蛍光体を適用することで、輝度低下を最小限に抑制しつつ、緑色蛍光体の高速応答化、すなわち CCFL の高速応答化が可能である。
（ ２） 現行赤色蛍光体 Y2O3 :Eu の Y の一部を Gd に置換した高輝度(Y,Gd)2 O3:Eu を適用することで、従来より赤色蛍光体の混合量を低減でき、その分、上記の混合緑色蛍光体混合量を増量できることから CCFL としての高輝度化が期待できる。
（ ３） 管電流制御駆動により、青色蛍光体の応答速度を遅延化させることで、3 色 RGB 蛍光体の応答特性を一致させることができる。これにより、ブリンク時の色度変化を管電流で制御できることを示した。
（ ４） 以上、3 つの手段を同時に適用することで、高輝度、高速応答、色度変化抑制、を同時に解決できる CCFL の設計指針を見出した。
また、第 4 章では、現在の LCD 用光源を取り巻く環境を踏まえ、今後の光源開発についても述べた。
最後に、第 5 章では、第 1 章から第 4 章を総括した。
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