CN102074451A - 放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明为了提供一种适合PSA用途的光源，提供一种放电灯，高效率地放射使单体聚合所需要的波长为300～380nm的波长范围的紫外线。该放电灯(10)具有含有作为发光气体的碘的放电容器(20)和形成在该放电容器的外表面上的一对电极(11、12)，通过形成受激碘分子来放射峰值波长为342nm的紫外线，其特征在于，在上述放电容器(20)的内表面上形成有由含有二氧化硅颗粒的微小颗粒构成的紫外线反射层(30)，在该紫外线反射层(30)的表面上的与一对电极(11、12)的放电路径冲突的位置形成有薄膜(40)。

Description

放电灯

技术领域

本发明涉及放电灯，该放电灯包括含有作为发光气体的碘的放电容器和形成在放电容器的外表面上的一对电极，放射通过形成受激碘分子而放射出的紫外线。

背景技术

在液晶显示器的制造工序中，采用了如下技术，即在构成液晶的像素时向液晶混入单体(monomer)，在使液晶分子倾斜的状态下通过使单体聚合来固定液体的倾斜方向的技术(PSA：Polymer SustainedAlignment，聚合物稳定配向)。根据公开PSA的专利文献1，考虑到对液晶的损害小、单体的灵敏度、液晶用玻璃的透射率等，优选用于使单体聚合的光源对单体例如照射波长为300～380nm的紫外线(专利文献1的0237段)。

虽然已知有各种各样放射使单体聚合所需要的波长为300～380nm的紫外线的紫外线光源，但实际上关于适合PSA用途的光源仍然处于反复研究的阶段。例如，将以水银为放电介质主要放射波长为365nm的紫外线的水银灯、以金属卤化物为放电介质的金卤灯等作为PSA用途的光源的候补。但是，对于水银灯，在想要安装多个水银灯来构成紫外线照射装置的情况下，存在紫外线照射装置大型化这样的问题，而且，由于以水银为放电介质，还具有给环境造成的负担大这样的缺点。金卤灯在能源效率方面存在与投入的电力相比放射出的紫外线的输出低这样的问题，而且，由于以卤化金属为放电介质，因此不能忽视其带给环境的不好影响。

另一方面，已知有一种放电灯，其包括由一对壁部和与一对壁部的端部接续的密封用壁部构成的放电容器，其中，上述一对壁部由相对地配置的电介质材料构成，向形成在放电容器内部的放电空间内填充稀有气体、卤素气体或它们的混合气体，通过上述壁部施加交流电压或脉冲电压，从而向放电容器外部放射紫外线。对于该种放电灯，在想要安装多个该种放电灯来构成紫外线照射装置的情况下，能够使紫外线照射装置比较小型化，并且与投入的电力相比被放射的紫外线的输出高，因此能源效率优良，而且，以氙气、氪气等稀有气体作为放电介质使用，所以给环境带来的负担小，在实际应用方面优点大，因此，该种放电灯有望成为PSA用的光源。

上述放电灯一直以来主要用作用于对液晶基板等被处理物的表面照射真空紫外线来进行被处理物的表面改性的光源，但是用在PSA用途中使单体聚合所需要的波长为300～380nm的波长范围的紫外线的输出并不充分。

专利文献1：日本特开2003-149647号公报

发明内容

本发明是为了解决上述问题而做出的，其目的在于为了提供一种适合PSA用途的光源，而提供一种高效率地放射使单体聚合所需要的波长为300～380nm的波长范围的紫外线的放电灯。

技术方案1提供一种放电灯，其具有含有作为发光气体的碘的放电容器和形成在放电容器的外表面的一对电极，通过形成受激碘分子来放射峰值波长为342nm的紫外线，其特征在于，在上述放电容器的内表面形成有由含有二氧化硅颗粒的微小颗粒构成的紫外线反射层，在该紫外线反射层的表面上的与一对电极的放电路径冲突的位置形成有薄膜。

另外，在技术方案1的基础上，技术方案2的特征在于，上述薄膜由氧化铝或氧化钇构成，或由它们两者的混合物构成。

另外，在技术方案1或2的基础上，技术方案3的特征在于，在上述放电容器中，在一方的电极所对应的内表面形成有紫外线反射层，在另一方的电极所对应的内表面没有形成紫外线反射层，在上述一方的电极所对应的位置上形成的紫外线反射层的面向放电空间的表面形成有薄膜。

另外，在技术方案3的基础上，技术方案4的特征在于，上述薄膜的厚度为3μm以上、10μm以下。

根据技术方案1的放电灯，通过在紫外线反射层的表面上的与一对电极的放电路径冲突的位置形成薄膜，使构成紫外线反射层的二氧化硅颗粒不会暴露于等离子体中，从而不与包含在等离子体中的碘原子、碘分子、碘离子发生反应。因此，在构成紫外线反射层的二氧化硅颗粒的表面上不产生氧空位，从而能够抑制紫外线反射层的反射率降低。因此，能够提供一种长时间高效率地放射波长为300～380nm的波长范围的紫外线的放电灯。

根据技术方案2的放电灯，氧化铝或氧化钇或它们两者的混合物对像碘这样的腐蚀物的耐腐蚀性优良，并且，它们是紫外线能够透射的材料，因此能够利用薄膜防止构成紫外线反射层的二氧化硅颗粒暴露于等离子体中的呈活性的受激碘原子、受激碘分子或碘离子中。

根据技术方案3的放电灯，将没有形成紫外线反射层的部分作为紫外线射出部，从等离子体直接向紫外线射出部放射紫外线，且从等离子体向紫外线射出部以外的部分放射的紫外线经紫外线反射层反射，由紫外线射出部放射，从而能够高效率地放射紫外线。

根据技术方案4的放电灯，通过使薄膜的厚度为3μm以上，能够防止紫外线反射层出现没有被薄膜覆盖的部分而产生不均匀。另外，通过使薄膜的厚度为10μm以下，能够使薄膜无法脱落。

附图说明

图1是本发明的放电灯的说明用剖视图。

图2是用于说明本发明的放电灯的紫外线反射层的放大剖视图。

图3是表示放电灯的比较例的说明用剖视图。

图4是表示实施例的测量位置的剖视图。

具体实施方式

图1是表示本发明的放电灯10的一例的结构的概略的说明用剖视图。图1(a)是表示沿放电容器20的长边方向的截面的剖视图，图1(b)是(a)的A～A’剖视图。

该放电灯10具有放电容器20，该放电容器20的两端被密封，内部形成有放电空间S，截面为矩形状的中空长条状。该放电容器20由上壁板21以及与上壁板21相对的下壁板22、连接上壁板21和下壁板22的一对侧壁板23、以封闭由上述上壁板21、下壁板22及一对侧壁板23构成的四角圆筒体的两端的方式设置的一对端壁部24构成。放电容器20由良好地透射紫外线的二氧化硅玻璃例如合成石英玻璃形成。

在放电容器20的上壁板21的外表面具有高电压供给电极11，在下壁板22的外表面上具有接地电极12，上述电极11、12以相对的方式配置。上述电极11、12为网状构造，形成为从网眼的间隙透射光。作为其材质例如采用铝、镍、金等，例如通过丝网印刷或真空蒸镀的方法来形成。另外，各电极11、12与适当的高频率电源(未图示)连接。

在放电容器20的内部例如以10～160kPa的压力封入放电用气体。作为放电用气体，封入主要包含氪、氩中的任意一种以上的稀有气体和碘气的放电气体。通过向这样的结构的放电灯的高电压供给电极11和接地电极12之间供给例如1～120kHz的交流电压或脉冲电压，在放电空间S所面对的内壁面上，混杂产生在整个放电空间内发生放电状态的扩散放电和与上述扩散放电相比具有在空间上收缩了的带状形状的丝状放电两种放电现象。

通过像这样的放电，来使封入放电容器内的碘I的正离子I+和负离子I-与选自碘以外的氩、氪的一种以上的原子或分子如下面的化学式那样进行反应，从而形成受激碘分子I₂ ^*。以下的化学式所示的M为碘、氪和氩的原子或分子。

〔化学式1〕

I⁺+I^-+M→I₂ ^*+M

受激碘分子I₂ ^*通过包含在放电气体内的碘离子I⁺和I^-与包含在放电气体内的碘、氪和氩的原子或分子反复冲突而形成放电空间，放射峰值波长为342nm的碘分子发光。

以通过亚稳激发原子的能量使碘电离的所谓彭宁效应的反应为主要原因生成作为形成受激碘分子的根本的碘离子。该彭宁效应是由于氪和氩的亚稳激发原子的能量稍高于碘原子的电离能而发生的。作为参考，氪的亚稳激发原子的能量为10.5eV，氩的亚稳激发原子的能量为11.5、11.7eV，碘原子的电离能为10.4eV。因此，若将包含选自氪、氩的一种以上的稀有气体和碘气的放电气体封入放电容器内，则在放电容器中能够生成更多的碘离子，形成许多受激碘分子，因此能够期待提高峰值波长为324nm的碘分子发光的输出。

虽然放电气体也可以包含除氪、氩以外的其他的稀有气体，但是与氪或氩这样的稀有气体的分压相比，除此以外的稀有气体的分压高，上述的彭宁效应减弱，因此需要注意其他稀有气体的分压的比例不要过高。例如，优选氪、氩以外的其他稀有气体的分压为氪、氩的分压的10％以下。

由受激碘分子放射的峰值波长为342nm的碘分子发光的输出对于在PSA用途中使单体聚合所需要的强度不够充分，因此为了高效率地利用由准分子放电而产生的紫外线，在放电容器20的与放电空间S相对的内表面设有由颗粒堆积体形成的紫外线反射层30。具体而言，在上壁板21内表面的与高电压供给电极11相对应的区域、上壁板21和下壁板22内表面的与电极11、12相对应的区域之外的区域、以及侧壁板23和端壁板24内表面的区域形成有紫外线反射层30。

另一方面，放电容器20的下壁板22的与接地电极12相对应的内表面上没有形成紫外线反射层30，构成紫外线射出部。

紫外线反射层30的厚度例如为20～100μm，由二氧化硅颗粒和比二氧化硅的熔点高且透射紫外线的微小颗粒构成。比二氧化硅的熔点高且透射紫外线的微小颗粒例如有氧化铝、氟化锂、氟化镁、氟化钙、氟化钡等。另外，不采用吸收紫外线的材料例如钛、锆、或它们的化合物作为微小颗粒。但是，作为紫外线反射层30的杂质有时混入钛或锆。

图2是用于说明本发明的放电灯10的紫外线反射层30的放大剖视图。

利用图2来说明由构成紫外线反射层30的微小颗粒反射紫外线的结构。当紫外线射入由这样的透射紫外线的微小颗粒构成的紫外线反射层30时，紫外线的一部分在微小颗粒的表面被反射，另一部分发生折射而透射到颗粒的内部，之后再次在其他的颗粒的表面被反射或折射。在许多微小颗粒中反复发生像这样的反射、折射，而使紫外线改变方向并向紫外线反射层30的外部传播。射入紫外线反射层30的紫外线根据向微小颗粒的入射角度的不同而沿各种方向反射或折射，因此从整体来看，紫外线被漫反射。

但是，若紫外线反射层30脱落并堆积到紫外线射出部的内表面，则由放电灯放射的光被遮蔽。因此，紫外线反射层30形成为与构成放电容器20的二氧化硅玻璃的线膨胀系数的值相同的二氧化硅颗粒为半数以上、例如包含60％～95％的二氧化硅颗粒。线膨胀系数的值相同或接近的材料具有容易粘接的性质，因此使紫外线反射层30含有一定以上的与放电容器20同质的二氧化硅颗粒，能够提高其与放电容器20的粘接力。

另外，有时在放电灯10中二氧化硅颗粒在产生的等离子体的热量的作用下熔融而使晶界消失，从而无法使紫外线漫反射而导致反射率降低。另一方面，比二氧化硅熔点高的微小颗粒即使在暴露于由等离子体产生的热量的情况下也不会熔融。因此，通过在紫外线反射层30内混入比二氧化硅熔点高的微小颗粒，来防止相邻的微小颗粒之间结合而使晶界消失的问题，抑制紫外线反射层30的反射率的降低。

对于紫外线反射层30所包含的微小颗粒，如以下定义的粒径例如在0.01～20μm范围内，在紫外线反射层30中，优选中心粒径(个数标准的粒度分布的最大值)例如为0.1～10μm，更优选为0.1～3μm。

在此所谓的“粒径”是指以相对于紫外线反射层30的表面沿垂直方向剖断时的剖面的厚度方向的大约中间位置作为观察范围，利用扫描电子显微镜(SEM)取得放大投影像，利用一定方向的两根平行线夹着该放大投影像的任意颗粒时该平行线的间隔的费雷特(Feret)径。

另外，“中心粒径”是指将如上述那样得到的各颗粒的粒径的最大值和最小值的粒径范围，例如以0.1μm的范围划分为许多的分区例如15个分区，属于各分区的颗粒的个数(频数)最大的分区的中心值。

发明人发现，当长时间使用如图3所示的仅设了一层紫外线反射层30的放电灯时，紫外线强度以在所考虑到的二氧化硅颗粒熔融影响以上的减少幅度下降。发明人对该原因进行了研究，认为原因如下。

已知若二氧化硅中产生氧空位，则在短波长区域中大范围地吸收光。可以推测出，通过反复如图2所示的在许多微小颗粒的表面上发生折射而透射到颗粒的内部的动作而被漫反射的紫外线反射光在每次透射过产生氧空位的二氧化硅颗粒时其一部分被吸收，结果紫外线反射层30的反射率降低。一般认为氧空位的原因如下：当二氧化硅颗粒暴露于放电等离子体中时，在等离子体中呈活性的受激碘原子、受激碘分子或碘离子等与二氧化硅的原子键(≡Si-O-Si≡)发生反应，而氧元素脱离或原子键被切断，从而使二氧化硅的表面产生氧空位(≡Si、≡Si-O)。

另外在长时间使用仅设了一层紫外线反射层30的放电灯之后，从放电容器的内部检测出了五氧化二碘(I₂O₅)。一般认为这是受激碘原子、受激碘分子或碘离子等在二氧化硅的表面发生了反应，由于氧元素脱离而生成了五氧化二碘(I₂O₅)。

另外，由于由二氧化硅玻璃构成的放电容器20的表面也暴露于放电，与碘发生反应，而放电容器的透射率也降低。但是，与碘的反应只限于放电容器20的内表面的极薄的层，而且，紫外线透射放电容器20一次即被放射，并不是像紫外线反射层30那样透射多次之后放射，因此对维持紫外线照度的影响小。

因此，如图1所示，为了不使构成紫外线反射层30的二氧化硅颗粒与包含在等离子体中的碘原子、碘分子或碘离子发生反应，而在紫外线反射层30的暴露于等离子体的表面上层叠由氧化铝(AL₂O₃)或氧化钇(Y₂O₃)构成的薄膜40。具体而言，紫外线反射层30的暴露于等离子体的表面是指，在放电容器20的高电压供给电极11所对应的内表面上形成的紫外线反射层30的面向放电空间的表面。

薄膜40作为用于防止构成紫外线反射层30的二氧化硅颗粒暴露于放电空间的等离子体中呈活性的受激碘原子、受激碘分子或碘离子的覆膜发挥作用，其对碘这样的腐蚀物的耐腐蚀性优良，并且为了在紫外线反射层30使紫外线反射必须由透射紫外线的材料构成。发明人发现氧化铝(AL₂O₃)或氧化钇(Y₂O₃)适合作为兼具这种性质的材料，利用该材料构成了薄膜40。特别是氧化铝(AL₂O₃)在紫外线的透射率高这方面优良。

从向紫外线反射层30的表面粘接的容易度、材料取得的容易度考虑，薄膜40所使用的氧化铝(AL₂O₃)或氧化钇(Y₂O₃)使用粒径例如为0.1～10μm范围内的微小颗粒。由于构成薄膜40的微小颗粒也透射紫外线，因此在许多微小颗粒中反复发生这样的反射、折射，从而也能够使紫外线漫反射。但是，因为期待薄膜40作为防止紫外线反射层30暴露于等离子体的覆膜发挥作用，所以薄膜40也可以是构成薄膜40的微小颗粒熔融、晶界削减而反射功能降低了的薄膜。因此，氧化铝(Al₂O₃)或氧化钇(Y₂O₃)不限于颗粒形状，例如也可以利用由溶胶-凝胶法形成的致密的薄膜来构成薄膜40。

另外，另一方电极的接地电极12所对应的放电容器20的内表面为紫外线射出部，没有形成紫外线反射层30，因此没有必要形成薄膜40。

另外，若利用紫外线反射层30的表面上形成有薄膜40的部分进行密封，则放电容器20容易破裂，因此在形成在放电容器20的侧壁板23和端壁板24的内表面的紫外线反射层30的表面上没有形成薄膜40。

接下来，表示本发明的放电灯的实施例。

实施例所使用的放电灯由壁厚为2mm的二氧化硅玻璃构成，以全长为200mm、宽为42mm、高为14mm、放电间隙为10mm的方式构成放电容器，该放电容器的外表面上具有由全长为150mm、宽为32mm的格子状的金属构成的电极。在放电容器中以120kPa的压力封入包含1％的碘的氪气的混合气体。在放电容器的一方的电极所对应的内表面以外的位置上形成紫外线反射层，在高电压供给电极11所对应的内表面上所形成的紫外线反射层的面向放电空间的表面上形成有薄膜。紫外线反射层和薄膜的结构表示在表1中。

【表1】

(实施例1)

对于具有上述规格的放电灯，准备了紫外线反射层的厚度为30μm，薄膜的厚度变更为3μm、5μm、10μm、15μm、20μm的放电灯。各薄膜厚度的放电灯分别制作了10个，对薄膜是否脱落进行了确认。利用视觉确认制作后的放电灯，以脱落数mm程度的薄膜的小片而在灯内部散乱的状态作为有脱落。测定结果表示在表2中。

【表2】

从图2所示的结果可知，当薄膜的厚度为10μm以下时不发生脱落。另外，还可知在实验的过程中，当厚度小于3μm时，紫外线反射层产生没有被薄膜覆盖的部分，容易产生均匀。由此可知，优选薄膜的厚度为3μm以上、10μm以下。

(实施例2)

对于实施例1所使用的放电灯，准备了以紫外线反射层的厚度为30μm，薄膜厚度为3μm的放电灯作为本发明的放电灯。另外，准备了在没有形成薄膜而只在放电容器的内表面上形成厚度为30μm的紫外线反射层这一点上不同的放电灯作为比较用的放电灯。

对使本发明的放电灯和比较用的放电灯分别点灯1000个小时后的紫外线强度的维持率进行了测量。关于各放电灯，在刚点灯后的状态和点灯1000个小时后的状态下，使用图4所示的装置对紫外线强度进行了测量。通过比较刚点灯后的紫外线强度和点灯1000个小时后的紫外线强度，来计算紫外线强度的维持率(％)。

在紫外线强度测量装置中，在铝制容器(40)内部的陶瓷制支撑台(41)上固定测量对象的放电灯(10)。在与放电灯(10)的紫外线射出部相对的位置上，在距离放电灯表面5mm的位置上固定光谱仪的光接收部(42)，用氮气置换铝制容器内部的氛围气。光谱仪光接收器利用未图示的光纤与光谱仪主体连接。通过向电极(11、12)之间施加输入为100W、频率为70Hz的交流高电压，在放电容器(20)的内部发生放电，使用由测量通过格子状电极放射的紫外线的光谱仪的测量光谱累计320～350nm的照度而得到的值，来比较紫外线强度。

测量结果表示在表3中。

【表3】

从表3所示的结果可知，通过在紫外线反射层的与一对电极的放电路径冲突的位置的表面形成薄膜，能够抑制紫外线反射层的反射率降低。而且，确认了即使将放电灯点灯1000个小时，也能够大致维持为点灯初期的紫外线强度。

Claims (4)

1.一种放电灯，其具有含有作为发光气体的碘的放电容器和形成在放电容器的外表面上的一对电极，通过形成受激碘分子来放射峰值波长为342nm的紫外线，其特征在于，

在上述放电容器的内表面上形成有由含有二氧化硅颗粒的微小颗粒构成的紫外线反射层，

在该紫外线反射层的表面上的与一对电极的放电路径冲突的位置形成有薄膜。

2.如权利要求1所述的放电灯，其特征在于，上述薄膜由氧化铝或氧化钇构成，或由它们两者的混合物构成。

3.如权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

在上述放电容器中，在一方的电极所对应的内表面形成有紫外线反射层，在另一方的电极所对应的内表面没有形成紫外线反射层，

在上述一方的电极所对应的位置上形成的紫外线反射层的面向放电空间的表面上形成有薄膜。

4.如权利要求3所述的放电灯，其特征在于，上述薄膜的厚度为3μm以上、10μm以下。

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