CN101552176A - 电极材料、电极和冷阴极荧光灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在冷阴极荧光灯的电极中使用的电极材料，该电极材料由镍或镍合金构成，其中所述电极材料的平均晶粒尺寸为50μm或更小，并且所述电极材料的表面粗糙度Sm为50μm或更小。具有微细凹凸表面和微细晶粒结构的所述电极材料的逸出功小于4.7电子伏特，并且其蚀刻速率小于22纳米/分钟。由上述电极材料构成的电极改善了放电性能和耐溅射性，并且增加了冷阴极荧光灯的亮度。

Description

电极材料、电极和冷阴极荧光灯

技术领域

本发明涉及适合用于冷阴极荧光灯的电极用材料的电极材料、由该电极材料构成的电极、以及具有该电极的冷阴极荧光灯。特别是，本发明涉及一种能够有助于改善冷阴极荧光灯的亮度的电极材料。

背景技术

冷阴极荧光灯被用作多种类型的电气设备的光源，例如液晶显示器的背光用的光源。这样的灯通常具有：在其内壁表面上具有荧光材料层的圆筒形玻璃管、以及设置在所述管的两端的一对杯形电极，并且该玻璃管内填充有稀有气体和汞。所述电极的典型材料是镍。日本未审查的专利申请公开No.2007-173197公开了一种由镍合金构成的电极，其中所述的镍合金中包含特定的合金化元素。日本未审查的专利申请公开No.2007-250343公开了一种由诸如钼之类的高熔点金属构成的电极材料。

近年来，人们需要具有更高强度的亮度的冷阴极荧光灯。冷阴极荧光灯的亮度取决于电极放电的容易程度和溅射速率(即，蚀刻速率)。当电子容易从电极中发射(即，当电极的逸出功较小)时，电极容易发生放电。在使用镍电极的情况下，在照明期间会发生这样的溅射现象，其中电极的构成材料被溅射，并沉积在玻璃管内。当沉积层与汞结合时，发光所需要的紫外光就不能够充分地从荧光材料层中发射出来，从而使灯的亮度降低。因此，在不容易发生溅射(即，蚀刻速率低)的情况下，可以抑制亮度的降低，因此灯可以容易地保持高亮度的状态。为此，需要开发具有令人满意的放电性和耐溅射性的电极。

日本未审查的专利申请公开No.2007-250343中所述的钼的耐溅射性比镍的耐溅射性高。然而，钼的成形性比镍的成形性要低，因此难以通过塑性加工(如，压力加工)来制造由钼构成的杯形电极。此外，由于钼具有非常高的熔点，因此难以通过焊接将供电用引线接合到钼电极上。另外，如日本未审查的专利申请公开No.2007-250343所述，由烧结体构成的电极具有较低的密度，从而造成强度降低。

发明内容

鉴于以上情况而进行本发明。本发明的目的是提供这样的电极材料和电极，其能够有助于改善冷阴极荧光灯的亮度。本发明的另一个目的是提供具有高亮度的冷阴极荧光灯。

本发明的发明人对由镍或镍合金构成的、具有令人满意的成形性的电极材料进行了认真的研究，发现冷阴极荧光灯的亮度可以通过同时控制电极材料的表面粗糙度和晶粒尺寸而得到改善。基于该研究结果完成本发明。更具体的说，本发明的电极材料被用于冷阴极荧光灯的电极中，并且由镍或镍合金构成，其中所述电极材料的平均晶粒尺寸为50μm或更小，并且该电极材料的表面粗糙度Sm为50μm或更小。

可以通过塑性加工由本发明的电极材料来获得本发明的电极。更具体的说，本发明的电极为在冷阴极荧光灯中使用的杯形电极，并且由镍或镍合金构成，其中，该电极的平均晶粒尺寸为50μm或更小，并且该电极的内侧底表面的表面粗糙度Sm为50μm或更小。

此外，本发明的冷阴极荧光灯具有本发明的电极。

通过由具有较小表面粗糙度Sm的本发明电极材料来形成电极，该电极也可以具有较小的表面粗糙度Sm。具有较小表面粗糙度Sm的电极在其表面上具有微细的凹凸不平，所以具有较大的表面积。因此，电子容易从电极表面上发射出来，从而放电性能可以得到提高。结果，冷阴极荧光灯的亮度可以得到改善。然而，即使在表面上存在这种微细的凹凸不平时，具有粗糙晶粒结构的电极也具有以下的问题。即使在灯照明的初始阶段电极具有令人满意的放电性能，电极的表面也会随着时间的推移而变得平坦，这是因为电极的表面由于放电而发生耗损。结果，不能保持在照明初始阶段时的放电性能。为了解决这个问题，本发明的电极材料具有微细的晶粒结构。由这种材料构成的电极也具有微细的晶粒结构。因此，即使当电极的表面由于放电而发生耗损时，该电极的表面也可以处于存在有微细凹凸不平的状态，从而可以处于可以保持令人满意的放电性能的状态。如上所述，本发明的电极由本发明的电极材料构成，所述电极在其表面上具有微细的凹凸不平，并且该电极具有微细的晶粒结构。因此，具有这种电极的灯不仅可以在照明的初始阶段具有得到改善的亮度，而且可以长时间地保持高亮度。此外，由于本发明的电极材料是由具有良好的成形性的镍或镍合金构成的，因此可以通过塑性加工来容易地制造本发明的杯形电极，由此，本发明的电极材料还可以有助于提高本发明的电极的生产率。本发明的电极材料和本发明的电极可以有助于改善冷阴极荧光灯的亮度。本发明的冷阴极荧光灯具有较高的亮度。另外，镍和镍合金的熔点低于诸如钼之类的高熔点金属的熔点。因此，可以容易地将本发明的电极与引线接合，从而还可以有助于提高本发明的冷阴极荧光灯的生产率。

具体实施方式

现在对本发明进行更详细地说明。

电极材料

(组成)

本发明的电极材料由含Ni和杂质的镍(纯镍)或镍合金构成，其中所述镍合金含有至少一种合金化元素、并且所述镍合金的余量为Ni和杂质。与诸如钼之类的高熔点金属相比，镍和镍合金具有良好的成形性和低的熔点。因此，当使用本发明的电极材料制备电极时，可以容易地通过焊接将由Kovar合金等构成的引线接合到电极上。此外，与镍相比，容易获得镍合金的微细晶粒。

镍合金优选含有选自Ti、Hf、Zr、V、Fe、Nb、Mo、Mn、W、Sr、Ba、B、Th、Be、Si、Al、Y、Mg、In和稀土元素(除了Y以外)中的至少一种元素，该元素的总量为0.001质量％至5.0质量％，并且所述镍合金的余量为Ni和杂质。镍合金具有以下的优点：(1)该镍合金的逸出功低于镍的逸出功，因此容易发生放电；(2)不容易发生溅射(蚀刻速率低)；(3)不容易形成汞齐；(4)不容易形成氧化物膜，因此不容易阻断放电。特别是，在含有Y的镍合金中，耐溅射性可以容易地得到改善。Y的含量优选为0.01质量％至2.0质量％。在含有Y、Si和Mg的镍合金中，耐溅射性可以进一步得到改善。Y和Si的总含量优选为0.01质量％至2.0质量％，并且Mg的含量优选为0.01质量％至1.0质量％。这些合金化元素以与Ni形成金属间化合物的形式存在于电极材料或电极中。

(制造方法)

本发明电极的形式的例子包括片状材料和线状材料。通常通过以下步骤来制造本发明的电极，所述步骤为：熔融、铸造、热轧、冷塑加工(片状材料：冷轧；线状材料：冷拔)、以及热处理。通过以这样的熔融方法来制造电极材料，电极材料可具有高的密度(相对密度为大于98％和约100％)。由具有高密度的电极材料制造的电极也可以具有高密度和高强度。

(表面性质)

本发明的电极材料的特征在于，电极材料的表面具有微细的凹凸不平。更具体的说，表面粗糙度Sm(在JIS B 0601(1994)中规定)为50μm或更小。当电极材料的表面粗糙度Sm降低时，所得到的电极的表面粗糙度Sm也容易降低，因此亮度可以得到改善。因此，对表面粗糙度Sm的下限没有特别的规定。更优选的是，表面粗糙度Sm为20μm或更小。

为了获得表面粗糙度Sm为50μm或更小的电极材料，对经冷塑加工之后的加工材料或者经最终热处理之后的处理材料进行诸如抛丸或滚筒抛光之类的机械处理。除了机械处理之外，通过调整电极材料的加工条件，容易地将表面粗糙度Sm控制为50μm或更小。关于具体的加工条件，例如在最终热处理期间，将加热温度控制为700℃至1,000℃的范围内，并且将移动速度(线材的供给速度)控制为50℃/秒或更高。

(结构)

本发明的电极材料的另一特征在于，电极材料具有微细的晶粒结构。具体而言，其平均晶粒尺寸为50μm或更小。当电极材料的平均晶粒尺寸降低时，所得到的电极的平均晶粒尺寸也容易降低，从而亮度可以得到改善。因此，对平均晶粒尺寸的下限没有特别的规定。更优选的是，平均晶粒尺寸为20μm或更小。

为了获得平均晶粒尺寸为50μm或更小的电极材料，例如，可以控制加工条件。具体而言，在最终热处理(软化处理)中，将加热温度控制为相对较高的温度，并且将加热时间控制为较短，以便抑制晶粒的生长。关于具体的加工条件，例如，将加热温度控制在700℃至1,000℃的范围内，特别是在约800℃至900℃的范围内，并且将移动速度(线材的供给速度)控制为50℃/秒或更高，特别是80℃/秒或更高。在电极材料由镍合金构成的情况下，还可以通过调节合金化元素的类型和含量来调节平均晶粒尺寸。

(逸出功)

具有微细凹凸表面和微细晶粒结构的本发明电极材料具有良好的放电性能和较小的逸出功。具体而言，其逸出功小于4.7电子伏特。由这种电极材料构成的电极也具有较小的逸出功。当逸出功降低时，电子容易从电极中发射出来。结果，冷阴极荧光灯利用了这些电子，从而容易发射光。所以，其亮度可以得到改善。因此，对逸出功的下限没有特别的限定。更优选的是，其逸出功为4.3电子伏特或更小。

(蚀刻速率)

此外，具有微细凹凸表面和微细晶粒结构的本发明电极材料具有良好的耐溅射性，并且电极材料的蚀刻速率低。具体而言，其蚀刻速率小于22纳米/分钟。对蚀刻速率的下限没有特别的规定。当蚀刻速率降低时，不容易形成溅射层，从而降低了进入该层中的汞的量。因此，汞可以充分地用于发光，以改善灯的亮度。更优选的是，蚀刻速率为20纳米/分钟或更低。由该电极材料构成的本发明电极的蚀刻速率也较低。

逸出功和蚀刻速率往往会由于表面粗糙度Sm和平均晶粒尺寸的进一步降低而降低。在本发明的电极材料由镍合金构成的情况下，可以通过调整合金化元素的类型和含量来改变逸出功和蚀刻速率。当合金化元素的含量增加时，逸出功和蚀刻速率往往降低。后面将对逸出功和蚀刻速率的测定方法进行描述。

电极

通过对本发明的电极材料进行塑性加工，可以获得由中空的有底圆筒构成的本发明杯形电极，其中所述塑性加工例如为压力加工(对片状材料而言)或者锻造(对线状材料而言)。杯形电极可以通过中空电极效应而在一定程度上抑制溅射现象。本发明的电极材料由具有上述良好的成形性的镍或镍合金构成。因此，可以进行冷加工作为塑性加工。此外，由于可以通过冷加工来处理电极材料，因此可以容易地保持电极材料的微细晶粒结构。通过独立地对所得到的杯形加工材料进行上述的机械处理，可以可靠地将表面粗糙度Sm降至50μm或更小。在杯形电极中，通常主要在其内表面、特别是在其内侧底表面上发生放电。因此，当杯形电极的至少内侧底表面具有较小的表面粗糙度Sm时，就可以通过提高放电性能和耐溅射性而容易地实现高的亮度。所以，在本发明的电极中，至少内侧底表面的表面粗糙度Sm为50μm或更小。表面粗糙度Sm可以在整个内侧表面上均为50μm或更小。电极的外表面的表面粗糙度Sm可以为50μm或更小，或者大于50μm。

在使用其中表面粗糙度Sm和平均晶粒尺寸均为50μm或更小的电极材料来制造电极或冷阴极荧光灯时，所得电极的表面粗糙度和平均晶粒尺寸可能由于(例如)压力加工、锻造或引线的焊接而与电极材料的表面粗糙度和平均晶粒尺寸稍微有差别。然而，电极的表面粗糙度和平均晶粒尺寸基本上取决于电极材料的表面粗糙度和平均晶粒尺寸。因此，电极的表面粗糙度Sm和平均晶粒尺寸可以被控制为50μm或更小，只要电极材料的表面粗糙度Sm和平均晶粒尺寸为50μm或更小即可。

现在对本发明的例子进行描述。制备具有如表I所示组成的电极材料(片状材料和线状材料)，并且检查电极材料的性质。此外，由该电极材料制备杯形电极，并且制备具有该电极的冷阴极荧光灯，以评价其性能。

样品No.1、2、101和102

按照如下方法制备片状电极材料。使用常规的真空熔融炉来制备具有表I所示的成分组成的熔融金属。适当地控制熔融金属的温度，并且通过真空铸造来获得铸锭。将各铸锭进行热轧，以制备厚度为4.2毫米的经轧制的片状材料。将各轧制的片状材料进行热处理，然后进行表面加工，以制备厚度为4.0毫米的经处理的片状材料。对各经处理的片状材料重复地进行冷轧和热处理。然后对所得的片状材料进行最终热处理(退火处理)，以制备厚度均为0.2毫米的经退火的片状材料。在氢气气氛中于800℃的温度下进行退火处理。在退火处理期间，将移动速度适当地选择在10℃/秒至150℃/秒的范围内。通过在以上范围内改变移动速度，获得了成分组成相同但平均晶粒尺寸不同的片状材料。

样品No.3至5以及103

按照以下方法制备线状电极材料。使用常规的真空熔融炉来制备具有表I所示的成分组成的熔融金属。适当地控制熔融金属的温度，并且通过真空铸造来获得铸锭。将各铸锭热轧，直到将线径降低至5.5毫米时为止，由此制得经轧制的线状材料。对各经轧制的线状材料联合进行冷拔和热处理。然后对所得的线材进行最终的热处理(退火处理)，以制备线径均为1.6毫米的退火后的线材。在氢气气氛中于800℃的温度下进行退火处理。在退火处理期间，将移动速度适当地选择在10℃/秒至150℃/秒的范围内。通过在以上范围内改变移动速度来改变平均晶粒尺寸。

表I中所示的“Ni”为市售可得的纯镍(含有99.0质量％或更高的Ni)。所使用的纯镍是通过精制以降低C和S的总含量而制得的。可以用空气气氛炉进行熔融。在这种情况下，通过精制等来消除或降低杂质和掺杂物，并且通过调节温度来制备熔融金属。在氢气气氛或氮气气氛中进行热处理。可以适当地选择轧制后的片材和退火后的片材的厚度，以及轧制后的线材和退火后的线材的线径。各退火后的材料的厚度优选在0.1毫米至0.3毫米的范围内，并且各退火后的材料的线径优选在0.5毫米至5毫米的范围内。当在氢气(其导热率高)含量较高的气氛(特别是在氢气气氛)中进行退火处理时，可以有效地进行加热，从而可以提高移动速度(线材的供给速度)。结果，可以提高生产率。另一方面，当在氢气含量较低或者在不含氢的气氛(如氮气气氛)中进行退火处理时，电极的氢含量降低，因此可以防止所得的电极在(例如)焊接引线期间发生氧化变色。

测量制得的退火后的材料的平均晶粒尺寸。结果示于表I中。通过以下方法确定平均晶粒尺寸，所述方法为：根据JIS G 0551(2005)中所述的方法用显微镜观察各退火后的材料的横截面的微观组织。

将退火后的材料进行表面处理，以制备电极材料。测定各电极材料的表面粗糙度Sm。结果如表I所示。通过滚筒抛光法(使用市售可得的抛光机)进行表面处理。适当地选择滚筒抛光用的磨料，以获得所需的表面粗糙度Sm。需要注意的是，样品No.101未进行表面处理。根据JIS B 0601(1994)用光学表面光洁度仪来测定表面粗糙度Sm。

测量所制得的各电极材料的逸出功和蚀刻速率。结果示于表I中。在进行若干分钟的Ar离子蚀刻作为预处理之后，通过紫外光电子波谱仪测量逸出功。据信，作为预处理的蚀刻过程对表面粗糙度的影响是可忽略不计的，这是因为离子辐射时间很短。使用复合电子波谱仪(由Physical Electronics公司(PHI)制造的ESCA-5800，附件为UV-150HI)(紫外光源：HeI(21.22电子伏特)/8W，测定期间的真空度：3×10^-9至6×10^-9托(0.4×10^-9至0.8×10^-9千帕)，测定前的基础真空度：4×10^-10托(5.3×10^-11千帕)，施加的偏电压：约-10伏特，能量分辨率：0.13电子伏特，分析区域：椭圆形直径为800μm，分析深度：约1nm)。可供选用的另外一种方式是，可使用扫描Kelvin探针(由位于英国的KP Technology公司制造(所用探针的头的尺寸：直径为2毫米))测定逸出功。在这种情况下，边移动测定点边测定各样品的多个点(例如，N＝5)，并且使用测定值的平均值。按照以下方法测定蚀刻速率。作为预处理，将各电极材料部分地掩蔽，并且在未被掩蔽的暴露部分中进行预定时间的离子辐射。然后测定通过离子辐射而在暴露部分中所形成的凹陷的平均深度，并且将该平均深度除以辐射时间(平均深度/辐射时间)而计算得到的值定义为蚀刻速率。用X射线光电子波谱仪(由PHI公司制造的Quantum-2000)进行离子辐射(加速电压：4千伏特，离子种类：Ar⁺，辐射时间：120分钟，真空度：2×10^-8至4×10^-8托(2.7×10^-9至5.3×10^-9千帕)，氩气压：约15毫帕，入射角度：相对于样品表面为约45度)。用探针型表面光洁度仪(由Veeco Instruments公司制造的Dektak-3030)(探针：金刚石制，半径＝5μm，探针压力：20毫克，扫描距离：2毫米，扫描速度：中等)测定凹陷的深度。

表I

样品No	组成(质量％)	形状	平均晶粒尺寸(μm)	表面粗糙度Sm(μm)	逸出功(电子伏特)	蚀刻速率(纳米/分钟)
							1	Ni	片状	40	30	45	19
2	0.3Y-Ni	片状	10	20	41	12
							3	0.3Al-0.1Si-Ni	线状	40	40	45	18
4	0.4Zr-Ni	线状	25	40	44	15
							5	0.3Y-0.1Si-0.01Mg-Ni	线状	9	20	40	11
101	Ni	片状	320	100	47	22
							102	Ni	片状	320	60	47	22
103	Ni	线状	320	30	45	22

如表I所示，表面粗糙度Sm为50μm或更小、并且平均晶粒尺寸为50μm或更小的电极材料具有较低的逸出功和较低的蚀刻速率。此外，这些结果表明，随着表面粗糙度Sm和平均晶粒尺寸降低，逸出功和蚀刻速率往往较低。

将所制得的各片状电极材料切割成预定的尺寸(10平方毫米)。将所得到的各片状样品冷压，以制得杯形电极(外径：1.6毫米，长度：3.0毫米，开口部分的直径：1.4毫米，开口部分的深度：2.8毫米，底部的厚度：0.2毫米)。可以适当地改变电极的尺寸。

将所制得的线状电极材料切割成预定的长度(1.0毫米)。将所得到的各个长度较短的材料冷锻，以制得杯形电极。结果，具有任何组成的所有退火后材料均可以被成形为杯形电极(外径：1.6毫米，长度：3.0毫米，开口部分的直径：1.4毫米，开口部分的深度：2.6毫米，并且底部的厚度：0.4毫米)。

在所制得的电极中，对于样品No.1至5、102和103的电极而言，通过抛丸处理来调节表面粗糙度。用市售可得的抛丸机进行抛丸处理。适当地选择抛丸用磨料，以获得所需的表面粗糙度Sm。在该抛丸处理之后，按照与在电极材料的情况下相同的方式测量各电极的内侧底表面的表面粗糙度Sm。根据这些结果，各电极的表面粗糙度等同于对应的电极材料的表面粗糙度。同样按照与在电极材料的情况下相同的方式测量各电极的平均晶粒尺寸。根据这些结果，各电极的平均晶粒尺寸等同于对应的电极材料的平均晶粒尺寸。

使用所制得的电极制造冷阴极荧光灯，以测量初始亮度和500小时之后的亮度。其结果示于表II中。将样品No.101的冷阴极荧光灯的初始中心亮度(43,000坎德拉/平方米)假定为100，相对地确定其它样品的初始亮度和500小时之后的亮度。

按照以下方法制备各冷阴极荧光灯。将由Kovar合金构成的内引线焊接到由涂铜的Ni合金线构成的外引线上。此外，将内引线焊接到电极的外底表面上。可以容易地将电极焊接到内引线上，这是因为镍或镍合金以及Kovar合金具有基本上相同或相对接近的熔点。将玻璃珠熔接到内引线的外周上。由此制得一对这样的电极元件，各个电极元件均具有引线、电极和玻璃珠，它们彼此结合成整体。接着，将电极元件之一插入圆筒形玻璃管的一端，所述圆筒形玻璃管具有开口末端、并且其内壁包括荧光材料层(在该例子中为由卤代磷酸盐构成的荧光材料层)。将管的末端与玻璃珠熔接，以密封管的末端，并且将电极固定在管中。接着，从玻璃管的另一端进行抽真空，并且引入稀有气体(在该例子中为Ar气)和汞。将另一个电极元件插入玻璃管内，以固定电极并密封玻璃管。通过以上的工序可以获得这样的冷阴极荧光灯，其中一对杯形电极的开口部分被设置为彼此面对。

表II

如表II所示，具有由以下电极材料制得的电极的各冷阴极荧光灯具有较高的初始亮度，并且即使经过较长的时间也可以保持高的亮度，其中所述的电极材料的平均晶粒尺寸为50μm或更小、并且表面粗糙度Sm为50μm或更小。据发现，特别是在平均晶粒尺寸和表面粗糙度降低时，初始亮度可以得到改善，并且可以长时间保持高亮度。这些结果表明，通过控制电极材料的平均晶粒尺寸和表面粗糙度Sm，可以获得具有高亮度的冷阴极荧光灯。

可以在不偏离本发明的精神的条件下适当地改变上述的实施方案，并且这些实施方案并不局限于上述的结构。例如，可以适当地改变电极材料和电极的组成、平均晶粒尺寸和表面粗糙度Sm。

本发明的电极材料可以合适地用作冷阴极荧光灯的电极用的材料。本发明的电极可以合适地用作冷阴极荧光灯的电极。本发明的冷阴极荧光灯可以合适地用作各种类型的电气设备的光源，例如为液晶显示器(如个人电脑的液晶监视器或液晶电视)的背光用光源；小型显示器的前光用光源；用于照射复印机、扫描机等的原始文件的光源；或复印机的擦除器用光源。

Claims (7)

1.一种在冷阴极荧光灯的电极中使用的电极材料，所述电极材料包含：

镍或镍合金，

其中所述电极材料的平均晶粒尺寸为50μm或更小，并且所述电极材料的表面粗糙度Sm为50μm或更小。

2.根据权利要求1所述的电极材料，其中所述镍合金包含选自Ti、Hf、Zr、V、Fe、Nb、Mo、Mn、W、Sr、Ba、B、Th、Be、Si、Al、Y、Mg、In和稀土元素(除了Y以外)中的至少一种元素，该元素的总量为0.001质量％至5.0质量％，并且所述镍合金的余量为Ni和杂质。

3.根据权利要求1所述的电极材料，其中所述电极材料的逸出功小于4.7电子伏特。

4.根据权利要求2所述的电极材料，其中所述电极材料的逸出功小于4.7电子伏特。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的电极材料，其中所述电极材料的蚀刻速率小于22纳米/分钟。

6.一种在冷阴极荧光灯中使用的杯形电极，所述电极包含：

镍或镍合金，

其中所述电极的平均晶粒尺寸为50μm或更小，并且

所述电极的内侧底表面的表面粗糙度Sm为50μm或更小。

7.一种冷阴极荧光灯，其具有根据权利要求6所述的电极。