完全水銀フリーバックライト光源：XEFL - ウシオ電機

光技術情報誌「ライトエッジ」No.32（2009年5月発行）
JEITAディスプレイ専門委員会
（電子情報技術産業協会）
2009年2月完全水銀フリーバックライト光源
：XEFL
Ⓡ
ウシオ電機株式会社
田川幸治
水銀レスバックライト技術について
水銀レス希ガス蛍光ランプ
ＸＥＦＬ® の構造
：競合する光源との比較
完全水銀フリー・外部電極型光源
“ XEFLⓇ ”
図1
図4
1. ＸＥＦＬ®の構造と光発生機構
Ｃｏｎｔｅｎｔｓ
ランプの外部電極に
高電圧を加える
・要約
・水銀レス希ガス蛍光ランプＸＥＦＬ®の構造
：競合する光源との比較
・ＸＥＦＬ®の特性
・ＸＥＦＬ®の環境面での優位性
・ＸＥＦＬ®のデジタルサイネージにおける特長
ランプバルブ（内面に蛍光体塗布）
ガラス表面が帯電する
放電開始
希ガス（Xe）原子が励起
Xe エキシマから、172nm
が放射される
VUV 光が、蛍光体によって
可視光に変換される
外部電極
保護膜（電極の上のみ）
図2
図5
要約
・水銀を全く使用しない
高効率な希ガス（Ｘｅ）蛍光ランプを開発
弊社商品名： XEFLⓇ
2. ＸＥＦＬ®/ＣＣＦＬの違い
：発光メカニズム
ＣＣＦＬ
ＸＥＦＬ®
電子
・主な特長 ①大画面に対応しやすい
②輝度の温度依存性が、ほぼ無い
③使用条件に関係なく、長寿命
Ｘｅエキシマ
Ｈｇ
蛍光体
・デジタルサイネージなどの
屋外・半屋外使用のディスプレイ用光源として
適している
図3
24
セミナー
誘電体バリア放電による
Ｘｅ 172 ｎｍで蛍光体を励起
図6
冷陰極放電による
Ｈｇ 254 ｎｍで蛍光体を励起
光技術情報誌「ライトエッジ」No.32（2009年5月発行）
完全水銀フリーバックライト光源：XEFL
Ⓡ
3. 従来のバックライト光源：ＣＣＦＬの構造
発光管内：バッファガス（Ｎｅ，Ａｒ）
蛍光体
ＣＣＦＬ
Hg
ＸＥＦＬ® の特性
冷陰極放電
CCFL用
インバータ
・ＣＣＦＬは、内部電極間の冷陰極放電を行う
図7
図11
4. 従来のバックライト光源：ＥＥＦＬの構造
７. 発光スペクトル
Relative intensity(a.u)
ＥＥＦＬ
Hg
外部電極
(導電性樹脂など）
XEFL® type1
1.2
発光管内：バッファガス（Ｎｅ，Ａｒ）
蛍光体
冷陰極放電
EEFL用
インバータ
XEFL® type2
1.0
XEFL® type3
0.8
CCFL tri -col or
0.6
0.4
0.2
0.0
400
・EEFLは、ガラス管を介した冷陰極放電を行う
図8
450
500
550
600
650
Wave length（nm）
700
750
図12
5. 水銀フリー光源：ＸＥＦＬ®の構造
８．色再現性（色度座標）
蛍光体
0.650
ＸＥＦＬ®用
インバータ
誘電体バリア放電
外部電極
発光管
ＸＥＦＬ ®
type 1
CCFL 4波長タイプ
NTSC
ＸＥＦＬ ®
0.550
y value
ＸＥＦＬ®
Ｘｅガス
色再現性
®
ＸＥＦＬ　type1
®
ＸＥＦＬ　type3
ＣＣＦＬ 3波長タイプ
Green
0.750
type3
0.450
CCFL
0.350
0.150
Blue
0.050
0.100
・ＸＥＦＬ®は、発光管（ガラス管壁）を介した
誘電体バリア放電を行う
( 3波長タイプ）
Red
0.250
CCFL
（4波長タイプ )
NTSC
0.300
0.500
ｘ　value
67%
75%
71%
75%
100%
XEFL® type3は、CCFLの
4波長タイプと同等
0.700
※ 色再現性が良い typeは、CCFLと同様に発光効率が低くなる
図9
図13
6. 比較表（ＣＣＦＬ、ＥＥＦＬ、ＸＥＦＬ®）
９. UV（紫外線）放射
150
XEFL®
ＣＣＦＬ
ＥＥＦＬ
放電形態
冷陰極放電
冷陰極放電
UV 電極
発光
Ｈｇ
外径
(mm)
内部電極 3～4
誘電体
バリア放電
CCFL用
インバータ
Ｈｇ
外部電極 3～4
EEFL用
インバータ
Ｘｅ
外部電極 9.8～
12
XEFL® 用
インバータ
（容量結合型）
ＸＥＦＬ®
点灯電源点灯方
式
高周波・
高電圧
印加
CCFL
100
相対強度
光源
Lamp
®
XEFL
UV（紫外線）
(水銀の発光)
光放射
可視光
ユニットの紫外線に
よるダメージ
無し
UV（紫外線）+
CCFL
樹脂の劣化
可視光
50
可視光
(青色発光蛍光体)
0
250
300
350
400
450
×
500
波長（ n m）
樹脂劣化を引き起こす400 ｎｍより短波長のＵＶ光が出ない
図10
図14
セミナー
25
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JEITAディスプレイ専門委員会
（電子情報技術産業協会）
2009年2月１３．調光特性
１０．ランプ効率の温度依存性
水銀フリーのため、周囲温度による
効率の変化は殆どない
100
120
100
80
60
XEFL®
40
80
Luminance（％）
Relative Luminance(%)
10℃で各輝度を100％とした場合
140
CCFL
60
40
20
0
20
0
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
20
40
60
80
100
Duty比（％）
60
Temperature（℃）
Duty比に対して、光出力は、比例している
図15
図19
１１. 輝度の高速立ち上がり特性
１４ -①．ランプへの印加電圧
120
120
100
100
I(%)
80
I(%)
ランプへの印加電圧（Vo-p）
3000
60
40
80
60
40
20
0
20
0
0
20
40
60
0
0.5
1
t (sec)
t (sec)
CCFL
2500
2000
1500
1000
XEFL®
500
0
500
1000
1500
ランプ全長（mm）
Xe からの VUV 放射のため高速の輝度立ち上がりが可能
XEFL® では、ランプ全長によらず印加電圧一定である
図16
図20
１２ -①．輝度立ち上がりの温度特性：ＣＣＦＬ
１４ -②．ランプ電圧波形
3.0
-10℃
Ｉ（a.u.）
2.5
0℃
2.0
CCFL
１０℃
1.5
２０℃
1.0
0
正弦波
0
矩形波
３０℃
0.5
ＸＥＦＬ®
0.0
0
200
400
600
ｔ（ｓｅｃ）
22型液晶ＴＶ用ＣＣＦＬバックライトユニット
ＣＣＦＬでは、①輝度立ち上がりに数分の時間を要する
②周囲温度によって飽和輝度が変化する
図17
図21
１２ -②．輝度立ち上がりの温度特性：ＸＥＦＬ®
１５. XEFL®の輝度維持率
100%
-10℃
2.5
Ｉ（a.u.）
Luminance maintenance（％）
3
0℃
2
10℃
1.5
20℃
30℃
1
0.5
0
0
100
ｔ（ｓｅｃ）
200
30 0
セミナー
50%
40%
30%
20%
10%
1
10
100
1,000
10,000
100,000
Operating time（h）
XEFL® の輝度維持率は、 CCFL（水平点灯）と同等
ＸＥＦＬ® では、①輝度立ち上がりは、瞬時に飽和輝度に達する
②飽和輝度は、温度にほとんど依存しない
26
70%
60%
0%
22型ＸＥＦＬ® 使用バックライトユニット
図18
90%
80%
※ 22型液晶テレビに組み込んだ XEFL®（φ8、450mm）の
輝度維持率（現在、23,000時間点灯）
図22
光技術情報誌「ライトエッジ」No.32（2009年5月発行）
完全水銀フリーバックライト光源：XEFL
Ⓡ
１９. ＸＥＦＬ®の構成部材
試料
Luminance maintenance（％）
１６. 寿命試験①（室温動作試験）
ランプ
周囲温度室温
試験機
ユニット実装
動作
点灯
入力
20Ｗ/ｍ
本数
水平点灯： 200本
垂直点灯： 8 本
蛍光体
：希土類蛍光体
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
ＸＥＦＬ®
誘電体バリア放電
horizontal lighting
Extrapolation line
Vertical lighting
1
10
100
1,000
Operating time（ｈ）
10,000
100,000
Ｘｅガス
給電部
：銀－エポキシ接着剤
鉛フリーハンダ
発光管
：ソーダガラス系
または、硬質ガラス
ＸＥＦＬ®用
インバータ
外部電極：Ａｇ
保護膜：Ｂｉ系フリットガラス
ＸＥＦＬ® の構成部材は、環境面での問題は無し
レアメタルの使用も少ない
水平・垂直点灯で輝度維持率に差は生じない
6 万時間で 70％維持を目標（外気温度の条件なし）
図23
図27
２０. ＸＥＦＬ®の環境面での特徴
高温動作試験
試料
ランプ
周囲温度
100℃
試験機
オーブン
動作
点灯
入力
20Ｗ/ｍ
本数
10本
Luminance maintenance（％）
１７．寿命試験②（高温動作試験）
・環境に有害な物質（水銀など）を使用していない。
⇔従来の水銀を使用した蛍光ランプとの違い。
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
・Ｘｅを使用した実用的な光源としては、
現時点で、最高の発光効率を有する。
・ＬＥＤで使用されるＩｎやＧａなどのレアメタルは使用しない。
1
10
100
1,000
Operating time（ｈ）
10,000
100,000
・光源としては、蛍光ランプの延長線上にあり、
信頼性の確保も含めて、使いやすい特性。
・光学特性の温度依存性が無く、使いやすい。
高温動作において、 8,000 ｈ時点で異常なし
図24
図28
２１. ＸＥＦＬ ®の省電力化
１８．寿命試験③（低温動作試験）
ランプ
周囲温度
―10℃
試験機
環境試験機
動作
点灯
入力
20 Ｗ/ｍ
本数
10 本
Luminance maintenance（％）
低温動作試験
試料
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
・現状は、ＣＣＦＬ（φ４）の発光効率の70％。
1
10
100
1,000
Operating time（ｈ）
10,000
・ＸＥＦＬ® を使用することで省電力化しやすい方策
例として
＜フィールド・シーケンシャル方式＞
光源の温度依存性が無いため、
短時間の点滅を行っても効率の低下が無い。
100,000
低温動作において、10,000 ｈ時点で異常なし
図25
図29
ＸＥＦＬ® の
環境面での優位性
図26
ＸＥＦＬ® のデジタルサイネージ
における特長
図30
セミナー
27
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JEITAディスプレイ専門委員会
（電子情報技術産業協会）
2009年2月２２．ＸＥＦＬ®の主な特長
『コストメリット』
・ﾗﾝﾌﾟ・ｲﾝﾊﾞｰﾀ費用の低減
・・例えば、CCFL の2倍の入力でﾗﾝﾌﾟ本数が１/２
・取り付け部品代・工数を低減・・ﾗﾝﾌﾟ本数を減らせるため費用削減
・周辺部材のｺｽﾄﾀﾞｳﾝ・・反射ｼｰﾄ・拡散板のＵＶ対策不要（ﾗﾝﾌﾟはＵＶﾌﾘｰ）
・商品在庫を減らせる・・点灯姿勢は、縦/ 横自在
２６．デジタルサイネージについて
XEFL®ならできること②設置場所
輝度が周囲温度の影響が無いので
→①ランプと拡散板の間
②液晶と拡散板の間
を FAN で冷却できる
『その他メリット』
・更なる大型化に対応・・ 70型以上の大画面ﾓﾃﾞﾙには「ﾗﾝﾌﾟ縦使い」
・設置場所を選ばない・・低温下でも安定した輝度・寿命を維持
・故障確率が低い・・金属とｶﾞﾗｽのｼｰﾙ構造では無い
・長寿命・・縦でも横でも、周囲温度によらず 6 万時間 70％維持（推定）
・環境に優しい・・水銀ﾌﾘｰ
冷却風
反射板
→液晶の温度上昇や、
拡散板や、BEF の「熱変形・熱劣化」
を防止
ランプ
拡散板＋拡散シート＋BEF
FAN 冷却
図35
２３．デジタルサイネージに求められる
光源の特性
①大画面対応
100 型以上の大画面にも少量対応
②設置条件を選ばない
外光に負けない高輝度、高温・低温下でも安定
③高信頼性
設置場所によってはランプ交換が難しい
広告用では、高信頼性は不可欠
２７．デジタルサイネージについて
XEFL®ならできること ②設置場所
５０℃付近（地域による）
４０℃
使用環境温度
図31
３０℃
CCFL対応可能範囲
®
XEFL 対応可能範囲
１０℃
０℃付近
－２０℃以下（地域による）
オフィス
３７～６５型
④省エネ
パブリックスペース
４６型～６５型＋α
画面サイズ
図32
図36
２４．デジタルサイネージについて
XEFL®ならできること ①大画面への対応
画面短辺側寸法（ｍｍ）
16対9短辺側寸法
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
XEFL® 縦使用により
最大120型まで対応可能
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
対角寸法（インチ）
XEFL® を縦使用することにより現状120型まで対応可能
図33
２５．デジタルサイネージについて
XEFL®ならできること ②設置場所
・輝度は、画面面積当りの入力にほぼ比例する。
（CCFLやLEDと違い、輝度飽和しにくい）
・ランプへの直接冷却が可能。
（CCFLでは、水銀を使用しているため不可能。
LEDでは、背面からの冷却のみ）
→光学シート、LCDの温度を上げずに高輝度化。
・LEDやCCFLと異なり、発光管は、
－10℃～80℃で、寿命に影響なし
図34
28
セミナー
屋外
１０８型以上

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