JP3995665B2 - Dielectric for ozone generator - Google Patents
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Description
本発明は、放電式オゾン発生装置の放電セルに使用されるオゾン発生装置用誘電体に関する。 The present invention relates to a dielectric for an ozone generator used in a discharge cell of a discharge type ozone generator.
オゾン発生装置に使用される放電セルは板型と管型に大別される。いずれの放電セルも隙間をあけて配置された一対の電極を有し、この電極間に放電空間を形成するべく一対の電極のうちの少なくとも一方の電極表面上に誘電体を配置した構成になっている。そして、放電空間に酸素等の原料ガスを流通させることにより、オゾンガスが生成される。 Discharge cells used in ozone generators are roughly classified into plate types and tube types. Each discharge cell has a pair of electrodes arranged with a gap, and a dielectric is arranged on the surface of at least one of the pair of electrodes so as to form a discharge space between the electrodes. ing. And ozone gas is produced | generated by distribute | circulating source gas, such as oxygen, in discharge space.
最近は、金属からなる電極を放電空隙に曝さないために、一対の電極の各内側に一対の誘電体を配置して、一対の誘電体の間に放電空隙を形成する構成が増加してきている。更に、これを1ユニットとして厚み方向に複数積層した多層構造が多用されている。 Recently, in order not to expose the electrode made of metal to the discharge gap, a configuration in which a pair of dielectrics are arranged inside each of the pair of electrodes and a discharge gap is formed between the pair of dielectrics has been increasing. . Further, a multi-layer structure in which a plurality of units are stacked in the thickness direction as one unit is often used.
放電セルにおける誘電体は、形状的には剛性のある基板タイプのものと、剛性のある電極の空隙側の表面にコーティングされた被覆タイプに大別される。被覆タイプの場合、厚み分布の不均一が避けられず、これが放電空隙のギャップ量の不均一につながるなどの問題があり、最近は硬くて化学的にも強いセラミックス板などの基板タイプが主流になりつつある。 The dielectrics in the discharge cell are roughly classified into a substrate type having rigidity in shape and a covering type in which the surface on the air gap side of the rigid electrode is coated. In the case of the coated type, uneven thickness distribution is unavoidable, which leads to uneven gaps in the discharge gap. Recently, substrate types such as ceramic plates that are hard and chemically strong have become mainstream. It is becoming.
ところで、オゾン発生装置は種々の化学処理設備に使用される一方で、半導体製造設備にも広く使用され始めた。酸化膜の形成、レジストのアッシング、シリコンウエーハの洗浄等に使用される半導体製造用オゾン発生装置の場合、高いクリーン度が要求されることから、コンタミネーション(金属不純物及びパーティクル)の極めて少ない純粋なオゾンガスを発生させる必要があり、このために原料ガスとしては高純度の酸素ガスが使用される。 Meanwhile, while ozone generators are used in various chemical processing facilities, they have begun to be widely used in semiconductor manufacturing facilities. In the case of an ozone generator for manufacturing semiconductors used for oxide film formation, resist ashing, silicon wafer cleaning, etc., high cleanliness is required. Therefore, it is pure with very little contamination (metal impurities and particles). Ozone gas needs to be generated. For this purpose, high-purity oxygen gas is used as the raw material gas.
また、前述した基板タイプの誘電体としては、機械的強度が高く、耐オゾン性及び耐スパッタリング性等にも優れた高純度のアルミナ基板が好ましいと言える。 Further, as the substrate-type dielectric described above, it can be said that a high-purity alumina substrate having high mechanical strength and excellent ozone resistance and sputtering resistance is preferable.
原料ガスとして高純度の酸素ガスを使用した場合、オゾンガスのオゾン濃度が運転開始直後から急激に低下し、所定の性能がでないという問題のあることは、既に広く知られている。この問題を解決するためには、高純度の酸素ガスに微量の触媒ガスを添加することが有効とされており、その触媒ガスとしては、半導体製造工程において入手が容易な高純度の窒素ガスが多用されている。 It has already been widely known that when high-purity oxygen gas is used as the raw material gas, the ozone concentration of the ozone gas rapidly decreases immediately after the start of operation, and the predetermined performance is not achieved. In order to solve this problem, it is effective to add a small amount of catalyst gas to high-purity oxygen gas. As the catalyst gas, high-purity nitrogen gas that is easily available in the semiconductor manufacturing process is used. It is used a lot.
誘電体が前述した高純度のアルミナ基板の場合も例外ではなく、原料ガスが高純度の酸素ガスの場合はオゾナイザーとしての性能が殆どでない。それどころか、酸素ガスに窒素ガスを混合しても、オゾン濃度が十分に上がらないことが分かってきた。より詳しくは、放電空隙の両面側に高純度のアルミナ基板を配置した場合に、特に触媒ガスの添加効果が十分に得られないのである。 The case where the dielectric is the above-described high-purity alumina substrate is no exception, and when the source gas is a high-purity oxygen gas, the performance as an ozonizer is hardly obtained. On the contrary, it has been found that even if nitrogen gas is mixed with oxygen gas, the ozone concentration does not increase sufficiently. More specifically, when a high-purity alumina substrate is disposed on both sides of the discharge gap, the effect of adding the catalyst gas cannot be obtained sufficiently.
触媒ガスを使用せずにオゾン濃度を上昇させる試みは各方面で進められており、その一つが特許文献1などに記載された誘電体への酸化チタンの使用である。 Attempts to increase the ozone concentration without using a catalyst gas have been made in various fields, and one of them is the use of titanium oxide in a dielectric described in Patent Document 1 and the like.
特許文献1では、誘電体が被覆タイプの場合、電極の放電空隙側の表面に酸化チタン含有物質が焼付けなどによりコーティングされる。一方、誘電体が基板タイプの場合は、その基板の表面に酸化チタン含有物質がスパッタリングやイオンプレーティング、蒸着等によりコーティングされる。酸化チタン含有物質の被覆層は、被覆タイプの場合、電極との熱膨張率の違いによる剥離を防止するために、複層化し、酸化チタン含有量を表面側から裏面側へかけて段階的に少なくする構成が推奨されており、その酸化チタン含有量は、オゾン濃度上昇の観点からは多いほどよく、少なくとも表層部分でTi元素量比率で10重量%以上、好ましくは30重量%以上とされている。 In Patent Document 1, when the dielectric is a coating type, the surface of the electrode on the discharge gap side is coated with a titanium oxide-containing substance by baking or the like. On the other hand, when the dielectric is a substrate type, a titanium oxide-containing substance is coated on the surface of the substrate by sputtering, ion plating, vapor deposition, or the like. In the case of the coating type, the coating layer of the titanium oxide-containing material is formed in multiple layers to prevent peeling due to the difference in thermal expansion coefficient from the electrode, and the titanium oxide content is gradually increased from the front side to the back side. It is recommended that the content be reduced, and the titanium oxide content should be as high as possible from the viewpoint of increasing the ozone concentration. At least the surface layer portion should have a Ti element content ratio of 10% by weight or more, preferably 30% by weight or more. Yes.
また、誘電体が基板タイプの場合は、その基板の表面に酸化チタン含有物質の被覆層が形成される。ここにおける被覆層中の酸化チタン含有量もオゾン濃度安定化の観点から多いほど良いとされており、具体的にはTi元素量比率で10重量%以上とされ、酸化チタン単体が特に望ましいとされている。 When the dielectric is a substrate type, a coating layer of a titanium oxide-containing material is formed on the surface of the substrate. The titanium oxide content in the coating layer here is also considered to be as good as possible from the viewpoint of stabilizing the ozone concentration. Specifically, the Ti element amount ratio is 10% by weight or more, and titanium oxide alone is particularly desirable. ing.
酸化チタン含有物質のコーティングは、アルミナ基板に対しても有効である。即ち、アルミナ基板の表面に酸化チタン含有物質をコーティングすると、触媒ガスの添加によりオゾン濃度が顕著に上昇する。しかしながら、アルミナ基板の表面に酸化チタン含有物質をコーティングすると、その基板を使用する意味が失われてしまう。 The coating of the titanium oxide-containing material is also effective for the alumina substrate. That is, when the surface of the alumina substrate is coated with a titanium oxide-containing substance, the ozone concentration is remarkably increased by the addition of the catalyst gas. However, if the surface of the alumina substrate is coated with a titanium oxide-containing material, the meaning of using the substrate is lost.
即ち、誘電体は放電空隙に直接対面し、放電空隙における電気的反応及び化学的反応に直接曝されることになる。このため、誘電体の放電空隙側の表面は、放電空隙のギャップ量均一化のために高い平坦度をもたなければらず、且つクリーン度、耐久性の点から耐オゾン性、耐スパッタリング性に優れたものでなければならない。このような要求から、硬くて化学的にも強いアルミナ基板が有効とされるわけであるが、酸化チタンはセラミックスの一種ではあるけれども、機械的、化学的な性能の点から、放電セルにおける誘電体として適当とは言えない。 That is, the dielectric directly faces the discharge gap and is directly exposed to electrical and chemical reactions in the discharge gap. For this reason, the surface on the discharge gap side of the dielectric must have high flatness in order to make the gap amount of the discharge gap uniform, and in terms of cleanliness and durability, it has ozone resistance and sputtering resistance. It must be excellent. Because of these requirements, a hard and chemically strong alumina substrate is effective. Titanium oxide is a kind of ceramics, but from the standpoint of mechanical and chemical performance, it has dielectric properties in discharge cells. It is not appropriate as a body.
なぜなら、酸化チタンは、アルミナに比べると、機械的強度、耐オゾン性、耐スパッタリング性などの点で相当に劣るからである。 This is because titanium oxide is considerably inferior to alumina in terms of mechanical strength, ozone resistance, sputtering resistance, and the like.
このため、酸化チタンを使用するにしても出来るだけ含有量を低く抑えることが求められるところ、引用文献1では、前述したとおり、Ti元素量比率で10重量%以上もの酸化チタンが必要とされる。Ti元素量比率で10重量%以上は、TiO2 の混合量換算では約17重量%以上に及び、30重量%以上は50重量%以上に達する。 For this reason, it is required to keep the content as low as possible even when titanium oxide is used. In the cited document 1, as described above, titanium oxide having a Ti element amount ratio of 10% by weight or more is required. . The Ti element amount ratio of 10% by weight or more reaches about 17% by weight or more in terms of the mixed amount of TiO 2 , and 30% by weight or more reaches 50% by weight or more.
このような多量の酸化チタンを含む脆弱な被覆層でアルミナ基板の表面を被うと、その基板を使用する意味がなくなるのである。 If the surface of the alumina substrate is covered with such a brittle coating layer containing a large amount of titanium oxide, there is no point in using the substrate.
本発明の目的は、硬くて化学的にも強いアルミナ基板を使用し、その基板の利点を阻害することなく、触媒ガス効果を効果的に引き出すことができるオゾン発生装置用誘電体を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a dielectric for an ozone generator that uses a hard and chemically strong alumina substrate and can effectively extract the catalytic gas effect without impairing the advantages of the substrate. It is in.
上記目的を達成するために、本発明者はアルミナ基板の表面への酸化チタン含有物質のコーティングを断念し、基板そのものの中に酸化チタンを均一に分散させて含有させることを企画した。その結果、高純度のアルミナ基板の本来の特性を阻害しない、意外なほどの少量の含有で、触媒ガスによるオゾン濃度上昇効果が効果的に引き出されることが判明した。 In order to achieve the above object, the present inventor planned to abandon the coating of the titanium oxide-containing material on the surface of the alumina substrate and to disperse the titanium oxide uniformly in the substrate itself. As a result, it has been found that the effect of increasing the ozone concentration by the catalyst gas can be effectively brought out with a surprisingly small amount that does not impair the original characteristics of the high-purity alumina substrate.
即ち、基板そのものの中に酸化チタンを均一に分散させて含有させるにしても、多量に含有させる必要があると、基板表面に多量の酸化チタンが現れることになり、高濃度の酸化チタン含有物質をコーティングした場合と何ら変わらない。むしろ、基板全体が高濃度の酸化チタン含有物質の含有により脆弱化し、コーティングの場合よりも問題が大きくなる。しかるに、アルミナ(Al2 O3 )を主体とする粉末にTiO2 粉末を混合して板状に焼成した所謂バルク材は、TiO2 の混合量で10重量%程度以下という非常に少量の含有にもかかわらず、触媒ガス効果に対して極めて顕著な効果を示すことが明らかになった。 That is, even if titanium oxide is uniformly dispersed and contained in the substrate itself, if it is necessary to contain a large amount, a large amount of titanium oxide appears on the surface of the substrate. It is not different from the case of coating. Rather, the entire substrate becomes brittle due to the inclusion of a high concentration of titanium oxide-containing material, and the problem becomes greater than in the case of coating. However, a so-called bulk material obtained by mixing TiO 2 powder with powder mainly composed of alumina (Al 2 O 3 ) and firing it into a plate shape contains a very small amount of about 10% by weight or less in terms of the mixed amount of TiO 2. Nevertheless, it has become clear that the catalyst gas effect is extremely remarkable.
本発明のオゾン発生装置用放電体は、かかる知見を基礎として開発されたものであり、放電式オゾン発生装置の放電セルに使用される誘電体であって、アルミナ基板からなり、且つ酸化チタンをTi元素量比率で0.006〜6重量%含有するバルク材からなる。この酸化チタン含有量は、基板製造段階におけるTiO2 粉末の混合比で概ね0.01〜10重量%に対応する。 The discharge body for an ozone generator of the present invention was developed based on such knowledge, and is a dielectric used for a discharge cell of a discharge type ozone generator, comprising an alumina substrate, and made of titanium oxide. It consists of a bulk material containing 0.006 to 6% by weight of Ti element. This titanium oxide content generally corresponds to 0.01 to 10% by weight in the mixing ratio of TiO 2 powder in the substrate manufacturing stage.
酸化チタンをアルミナ基板中に分散して混合させたバルク材の第1の利点は、少量の酸化チタンで触媒ガスによるオゾン濃度の上昇を効果的に実現できることにある。酸化チタンの使用量を抑制できることにより、基板表面には多量のアルミナが露出し、アルミナを使用する目的が阻害されるのを回避できる。アルミナを使用する目的は、耐オゾン性や耐スパッタリング性によるクリーン度の確保である。 A first advantage of a bulk material in which titanium oxide is dispersed and mixed in an alumina substrate is that an ozone concentration can be effectively increased by a catalyst gas with a small amount of titanium oxide. Since the amount of titanium oxide used can be suppressed, it can be avoided that a large amount of alumina is exposed on the substrate surface and the purpose of using alumina is hindered. The purpose of using alumina is to ensure cleanliness by ozone resistance and sputtering resistance.
第2の利点は、少量の酸化チタンをアルミナ基板中に分散させることにより、コーティング、特に厚コーティングで問題となる表面の平坦度悪化を回避でき、この平坦度の悪化によるギャップ量分布の不均一化を回避できることである。最近はオゾン発生効率の点からギャップ量が小さくされる傾向が強く、オゾナイザーによっては0.1mmオーダー、更にはそれ以下に低減されており、ギャップ量分布の均一化は重要な技術課題である。ちなみにギャップ量分布が不均一になると、不均一な放電により性能が低下する。 The second advantage is that by dispersing a small amount of titanium oxide in an alumina substrate, it is possible to avoid surface flatness deterioration, which is a problem in coating, particularly thick coating, and unevenness in gap amount distribution due to this flatness deterioration. That is, it can be avoided. Recently, there is a strong tendency to reduce the gap amount from the viewpoint of ozone generation efficiency. Depending on the ozonizer, the gap amount has been reduced to the order of 0.1 mm or less, and the uniform gap amount distribution is an important technical issue. Incidentally, if the gap amount distribution is non-uniform, the performance deteriorates due to non-uniform discharge.
なお、アルミナ基板中に分散混合する酸化チタンが、基板表面にコーティングされた酸化チタンよりも、触媒ガス効果に対して効果的である理由は次のように想定される。 The reason why titanium oxide dispersed and mixed in an alumina substrate is more effective for the catalytic gas effect than titanium oxide coated on the substrate surface is assumed as follows.
分散混合酸化チタン及びコーティング酸化チタンともに触媒ガスに対して効果的であるが、前者の酸化チタンはもっぱらアルミナ粒の界面に存在しており、基板からの剥離、脱落の危険が殆どない。これに対し、後者の酸化チタンは単に基板表面に付着しているだけであるから、基板からの剥離、脱落の危険が大きく、これを見越して多く付着させる必要がある。このため、後者の酸化チタンでは必然的に使用量が多くなり、しかもクリーン度の低下を余儀なくされる。このような理由から、前者の酸化チタンでは使用量を低減でき、合わせて高いクリーン度も確保できるのである。 Both the dispersed mixed titanium oxide and the coated titanium oxide are effective against the catalyst gas, but the former titanium oxide exists exclusively at the interface of the alumina grains, and there is almost no risk of peeling or dropping off from the substrate. On the other hand, since the latter titanium oxide is simply attached to the substrate surface, there is a great risk of peeling and dropping from the substrate, and it is necessary to attach a large amount in anticipation of this. For this reason, the latter titanium oxide inevitably increases the amount used, and the cleanliness is inevitably lowered. For this reason, the amount of use of the former titanium oxide can be reduced, and a high cleanliness can be secured.
また、オゾン濃度の向上に対して酸化チタンが有効であり、一方アルミナが有効でない理由を本発明者らは次のように考えている。 In addition, the present inventors consider the reason why titanium oxide is effective for improving the ozone concentration while alumina is not effective as follows.
最近のオゾナイザーでは、オゾン発生効率を高めるための一つの方向性として放電ギャップの縮小が追求されている。放電ギャップを小さくすることにより、冷却効率が上がり、またオゾンの生成に有利とされている5eV以上のエネルギー分布が増大することによりオゾン発生効率が上がる。 In recent ozonizers, reduction of the discharge gap has been pursued as one direction for improving ozone generation efficiency. By reducing the discharge gap, the cooling efficiency increases, and the ozone generation efficiency increases by increasing the energy distribution of 5 eV or more, which is advantageous for generating ozone.
このようなオゾナイザー面からのオゾン発生効率の追求とは別の技術的課題として、放電空隙を通過する原料ガスが高純度酸素の場合、オゾン濃度が上がらないという現象がある。これに対しては、窒素ガス等の触媒ガスを酸素ガスに添加するのが有効である。その理由としては、諸説があるものの、触媒ガスがオゾン生成場である放電空間に直接、間接に作用する点では共通した考え方がなされている。ところが、この説によると、誘電体がアルミナの場合にも、触媒ガスの添加によりオゾン濃度が上がらなければらない。しかし現実は前述したとおり、触媒ガスの添加にもかかわらず、オゾン濃度は上昇しない。 As a technical problem different from the pursuit of ozone generation efficiency from the ozonizer surface, there is a phenomenon that the ozone concentration does not increase when the source gas passing through the discharge gap is high-purity oxygen. For this, it is effective to add a catalyst gas such as nitrogen gas to the oxygen gas. Although there are various theories as the reason, a common idea is made in that the catalyst gas acts directly and indirectly on the discharge space which is an ozone generation field. However, according to this theory, even when the dielectric is alumina, the ozone concentration must be increased by adding the catalyst gas. However, in reality, as described above, the ozone concentration does not increase despite the addition of the catalyst gas.
このような事情から、本発明者らは、触媒ガスによるオゾン濃度向上効果の理由として、放電空隙における触媒ガスの発光、その発光による誘電体表面の改質に着目した。すなわち、アルミナと酸化チタンの物性的な相違の一つとして光に対する反応がある。図2は光エネルギーとバンド間遷移強度との関係をアルミナと酸化チタンについて示したグラフである。アルミナは8eV以上の比較的短波長の光に対してしか反応しない。これに対し、酸化チタンは8eV未満の比較的長波長の光に対しても反応する。 Under such circumstances, the present inventors paid attention to light emission of the catalyst gas in the discharge gap and modification of the dielectric surface due to the light emission as the reason for the effect of improving the ozone concentration by the catalyst gas. That is, there is a reaction to light as one of the physical differences between alumina and titanium oxide. FIG. 2 is a graph showing the relationship between light energy and interband transition intensity for alumina and titanium oxide. Alumina reacts only to light having a relatively short wavelength of 8 eV or more. In contrast, titanium oxide reacts to light having a relatively long wavelength of less than 8 eV.
光の波長とエネルギーの関係は数式1により表され、放電場で窒素ガスが発光したときのエネルギーは約3eVで、波長は約400nmであり、酸素ガスが発光したときのエネルギーは2eV前後、波長は約600nm前後である。 The relationship between the wavelength of light and energy is expressed by Equation 1, the energy when nitrogen gas is emitted in the discharge field is about 3 eV, the wavelength is about 400 nm, the energy when oxygen gas is emitted is around 2 eV, the wavelength Is around 600 nm.
図2から分かるように、アルミナの光反応性は高い。しかしバンドが高エネルギー(短波長)に限定される。一方、酸化チタンの光反応性はアルミナに比べると低い。しかし、バンドは低エネルギー(長波長)の側に広い。その結果、アルミナは窒素ガスの発光に対しても反応せず、酸素ガスの発光に対しても当然反応を期待できない。これに対して、酸化チタンは窒素ガスの発光に対しては十分な反応を期待でき、酸素ガスの発光に対しても反応の可能性がある。このような事実関係から、本発明者らは、触媒ガスによるオゾン濃度向上効果の理由として、添加した触媒ガスの放電場での発光、その光に対する誘電体表面の反応・改質、その表面改質の結果としてのオゾン収率の向上を考えている。 As can be seen from FIG. 2, the photoreactivity of alumina is high. However, the band is limited to high energy (short wavelength). On the other hand, the photoreactivity of titanium oxide is lower than that of alumina. However, the band is wide on the low energy (long wavelength) side. As a result, alumina does not react to the emission of nitrogen gas, and naturally no reaction can be expected to the emission of oxygen gas. In contrast, titanium oxide can be expected to react sufficiently to light emission of nitrogen gas, and may react to light emission of oxygen gas. Based on this fact, the inventors of the present invention have the following reasons for the ozone concentration improvement effect of the catalyst gas: light emission in the discharge field of the added catalyst gas, reaction / modification of the dielectric surface with respect to the light, and surface modification. We are looking to improve the ozone yield as a result of quality.
そして、更にこの考えを発展させて次のような可能性も本発明者らは考えている。誘電体としては、比較的低エネルギーの長波長の光に反応するものが好ましい。具体的には、窒素ガスの発光、酸素ガスの発光を含む、200nmより長波の光に反応するものが好ましく、400nmより長波の光に反応するものが特に好ましい。一方、触媒ガスとしては、発光エネルギーが高く、短波長の光を発するものが好ましい。8ev以上(155nm以下)の光を発する触媒ガスを使用し、酸素ガスにより光が吸収されない工夫を講じれば、誘電体がアルミナの場合にも触媒ガスによる効果を期待できる可能性もある。 The present inventors consider the following possibilities by further developing this idea. The dielectric is preferably one that responds to light having a relatively long energy and a long wavelength. Specifically, those that react with light longer than 200 nm including light emission of nitrogen gas and oxygen gas are preferable, and those that respond to light longer than 400 nm are particularly preferable. On the other hand, the catalyst gas is preferably one that has high emission energy and emits light having a short wavelength. If a catalyst gas that emits light of 8 ev or more (155 nm or less) is used and light is not absorbed by oxygen gas, the effect of the catalyst gas may be expected even when the dielectric is alumina.
要するに、誘電体の種類と使用する触媒ガスの種類は、放電場での発光を介して有機的に関係しており、触媒ガスに関しては、誘電体が反応するエネルギー(波長)の光を発するものを使用する必要があり、触媒ガスが窒素等に固定されている場合は、その触媒ガスの発光に反応する誘電体を使用する必要がある。放電場で酸素ガスが発光したときのエネルギーは2eV前後、波長は約600nm前後である。このエネルギー以下の比較的長波長(600nm以上)の光に反応する誘電体を使用すれば、酸素ガス自体によってオゾン収率の向上に有効な環境が形成され、触媒ガスを不要にできる可能性もある。 In short, the type of dielectric and the type of catalyst gas used are organically related through light emission in the discharge field, and the catalyst gas emits light of energy (wavelength) with which the dielectric reacts. When the catalyst gas is fixed to nitrogen or the like, it is necessary to use a dielectric that reacts to light emission of the catalyst gas. The energy when oxygen gas is emitted in the discharge field is around 2 eV, and the wavelength is around 600 nm. If a dielectric that reacts to light with a relatively long wavelength (600 nm or more) below this energy is used, the oxygen gas itself creates an effective environment for improving the ozone yield, and the possibility of eliminating the need for a catalyst gas is also possible. is there.
後の比較試験でも述べるが、酸化チタン含有のアルミナを使用すれば、十分とは言えないまでも、窒素ガスを使用せずともオゾン濃度が上がる。これは酸素の発光によっても酸化チタンが反応し、オゾンの生成に有利な環境が形成された結果と考えられる。この事実は、本発明者らが考える誘電体表面の改質説を裏付けるものと考えられる。 As will be described later in the comparative test, the use of titanium oxide-containing alumina increases the ozone concentration without using nitrogen gas, if not enough. This is considered to be the result of the titanium oxide reacting with the emission of oxygen to create an environment favorable for the production of ozone. This fact is thought to support the theory of modification of the dielectric surface considered by the present inventors.
本発明のオゾン発生装置用放電体においてアルミナ基板の純度は、クリーン度の点から高いほどよく、80%以上が好ましく、90%以上、なかでも95%以上、そのなかでも99%以上が特に好ましい。 In the discharge body for an ozone generator of the present invention, the purity of the alumina substrate is preferably higher from the viewpoint of cleanliness, preferably 80% or more, 90% or more, particularly 95% or more, and particularly preferably 99% or more. .
酸化チタンの含有量をTi元素量比率で0.006〜6重量%としたのは、0.006重量%未満ではオゾン濃度が十分に上がらず、6重量%超では誘電体の機械的強度が不足し、使用上だけでなく製造上も問題が生じるからである。なお、この酸化チタンの含有量は、アルミナ基板の純度の影響を受け、高純度ほど含有量が制限されることになる。酸化チタンの含有量を少量に抑制できることは、アルミナ基板の純度向上の点からも非常に好ましく、それ故に95%以上、99%以上というような高純度のアルミナ誘電体の使用も可能になるのである。特に好ましいTi元素量比率は、主にアルミナ純度の点から0.006〜0.3重量%である。 The content of titanium oxide is 0.006 to 6% by weight in terms of the amount of Ti element because the ozone concentration does not increase sufficiently if it is less than 0.006% by weight, and the mechanical strength of the dielectric exceeds 6% by weight. This is because there is a shortage and problems arise not only in use but also in production. The titanium oxide content is affected by the purity of the alumina substrate, and the higher the purity, the more the content is limited. The ability to suppress the content of titanium oxide to a small amount is very preferable from the viewpoint of improving the purity of the alumina substrate. Therefore, it becomes possible to use a high-purity alumina dielectric such as 95% or more, 99% or more. is there. A particularly preferable Ti element amount ratio is 0.006 to 0.3% by weight mainly from the viewpoint of alumina purity.
酸化チタン以外の含有成分としては、若干量のSiO2 (シリカ)、CaO(カルシア)、MgO(マグネシア)などが副原料(焼成助剤)として含有される。この副原料(焼成助剤)の含有量も、主原料であるアルミナの純度が上がるほど少なくなる。副原料以外には、微量のNa2 O、K2 O、Fe2 O3 などが原料使用に伴う不可避的不純物として含有される。副原料(焼成助剤)としてCr2 O3 などのクロム酸化物が含有されることがあるが、これはオゾンガスのメタルコンタミネーション抑制の点からCr元素量比率で3重量%以下に制限することが望まれる。 As a component other than titanium oxide, a slight amount of SiO 2 (silica), CaO (calcia), MgO (magnesia) and the like are contained as auxiliary materials (firing aids). The content of this auxiliary material (firing aid) also decreases as the purity of the main raw material alumina increases. In addition to the auxiliary raw materials, trace amounts of Na 2 O, K 2 O, Fe 2 O 3 and the like are contained as inevitable impurities accompanying the use of the raw materials. Chromium oxides such as Cr 2 O 3 may be contained as an auxiliary material (firing aid), but this should be limited to 3% by weight or less in terms of the amount of Cr element from the viewpoint of suppressing metal contamination of ozone gas. Is desired.
アルミナ基板の厚みは0.05〜1mmが好ましい。これが薄すぎると耐電圧値が低くなり、また必要な機械的強度の確保が困難になる。厚すぎる場合は電極間距離が広がり、放電電圧が高くなる。 The thickness of the alumina substrate is preferably 0.05 to 1 mm. If this is too thin, the withstand voltage value will be low, and it will be difficult to ensure the required mechanical strength. If it is too thick, the distance between the electrodes increases and the discharge voltage increases.
基板構造としては、アルミナ基板の反放電空隙側の表面に電極を薄膜として形成するのが異常放電防止の点から好ましい。電極膜の材質としてはCu,Ag,Al,Auなどをあげることかできる。電極膜の厚さは5〜70μmが好ましい。これが薄すぎるとパターン幅が狭い部分で発熱し、断線が発生するおそれがある。厚すぎる場合は技術的な課題が多く、均一な膜厚形成が難しい。電極膜の形成法としては膜厚均一化の点から金属箔接着、スパッタリング、蒸着、溶射、スクリーン印刷などが好ましい。 As the substrate structure, it is preferable from the viewpoint of preventing abnormal discharge that an electrode is formed as a thin film on the surface of the alumina substrate on the side opposite to the discharge gap. Examples of the material for the electrode film include Cu, Ag, Al, Au, and the like. The thickness of the electrode film is preferably 5 to 70 μm. If this is too thin, heat may be generated in a portion where the pattern width is narrow, and disconnection may occur. If it is too thick, there are many technical problems and it is difficult to form a uniform film thickness. As a method for forming the electrode film, metal foil adhesion, sputtering, vapor deposition, thermal spraying, screen printing, and the like are preferable from the viewpoint of uniform film thickness.
基板構造としては又、その電極膜をアルミナ基板の外縁部以外の部分に被覆し、アルミナ基板の外縁部に電極膜と接しないように原料ガス・オゾンガスの流通孔を設けるのが好ましい。この基板構造により、オゾンガスが基板に直角な方向に排出されるにもかかわらず、オゾンガスと電極膜の接触を完全に回避できる。 As the substrate structure, it is preferable that the electrode film is coated on a portion other than the outer edge portion of the alumina substrate, and a flow hole for the source gas / ozone gas is provided at the outer edge portion of the alumina substrate so as not to contact the electrode film. With this substrate structure, the contact between the ozone gas and the electrode film can be completely avoided even though the ozone gas is discharged in a direction perpendicular to the substrate.
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態を示すオゾン発生装置誘電体の斜視図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of an ozone generator dielectric showing an embodiment of the present invention.
本実施形態のオゾン発生装置用誘電体10は、略正方形のセラミック基板からなる。このセラミック基板は、例えば純度が80%以上のアルミナ板であり、他の成分としては酸化チタンをTi元素量比率で0.006〜6重量%含有すると共に、若干量の副原料(焼成助剤)、微量の不可避不純物を含有している。このような誘電体10は、所定量のAl2 O3 粉末、TiO2 粉末、副原料(焼成助剤)としての各種粉末及びバインダーを混合し、板状に成形した後、焼成することにより製造される。焼成段階でバインダーは消失する。 The dielectric 10 for ozone generators of this embodiment consists of a substantially square ceramic substrate. This ceramic substrate is, for example, an alumina plate having a purity of 80% or more. As other components, titanium oxide is contained in an amount of 0.006 to 6 wt. ), Contains a small amount of inevitable impurities. Such a dielectric 10 is manufactured by mixing a predetermined amount of Al 2 O 3 powder, TiO 2 powder, various powders as auxiliary materials (firing aids) and a binder, forming them into a plate shape, and then firing them. Is done. The binder disappears in the firing stage.
誘電体10の反放電空隙側の表面には、外縁部を額縁状に残して電極膜20が金属箔接着などにより形成されている。4つの外縁部のうちの対向する2つの外縁部には、原料ガス・オゾンガス用の流通孔11,11が設けられており、他の2つの対向する外縁部には、冷媒供給・排出用の流通孔12,12が設けられている。流通孔11,11及び12,12は、いずれも各辺に平行な長孔とされている。
An
4つのコーナー部のうちの一つには、電極引き出し用の貫通孔13が設けられている。貫通孔13には導電性のロッドが貫通する。ロッドとの電気的な接触のために、電極膜20は貫通孔13を包囲するようにコーナー部へ向けて延長されている。
One of the four corners is provided with a through
オゾン発生装置においては、放電空隙を形成するべく、2枚の誘電体10,10が電極膜20を背面側に向け所定の隙間をあけて組み合わされる。この誘電体ユニットを間に挟みながら冷却体を重ねることにより、放電セルが構成される。冷却体は、誘電体10と同じ形状及び大きさのセラミック板で、冷媒が流通する構成になっており、4つの外縁部のうちの対向する2つの外縁部に原料ガス・オゾンガス用の流通孔を有し、他の2つの対向する外縁部には冷媒供給・排出用の流通孔を有している。
In the ozone generator, the two
構成された放電セルにおいては、原料ガス用の流通孔が積層方向に連続することにより原料ガス供給路が形成され、オゾンガス用の流通孔が積層方向に連続することによりオゾンガス排出路が形成される。また、冷媒供給・排出用の流通孔が積層方向に連続することにより冷媒の供給路・排出路が形成される。 In the constructed discharge cell, a raw material gas supply path is formed by continuous flow holes for raw material gas in the stacking direction, and an ozone gas discharge path is formed by continuous flow holes for ozone gas in the stacking direction. . Further, the refrigerant supply / discharge passages are formed by the circulation holes for supplying / discharging the refrigerant continuing in the stacking direction.
オゾン発生装置の運転においては、放電セルに原料ガスとして高純度の酸素ガスを供給する。また、各誘電体ユニットにおける一方の誘電体10の背面に形成された電極膜20を接地し、他方の誘電体10の背面に形成された電極膜20に所定の高電圧を印加する。放電セルに供給された酸素ガスは、各誘電体ユニットにおける原料ガス用の流通孔11を通って誘電体10,10の間、即ち放電空隙に流入し、オゾン化されてオゾンガス用の流通孔11を通って放電セル外へ排出される。また、冷媒供給・排出用の流通孔12,12を通って、誘電体ユニット両側の冷却体に冷媒が供給される。
In the operation of the ozone generator, high-purity oxygen gas is supplied as a source gas to the discharge cell. Further, the
このようなオソン発生装置において、誘電体10の構造・成分組成がオゾン発生特性に及ぼす影響を調査した。その結果を以下に説明する。 In such an oson generator, the influence of the structure and component composition of the dielectric 10 on the ozone generation characteristics was investigated. The results will be described below.
従来例1として、誘電体として純度が99%と高純度のアルミナ基板を用いた。酸化チタンは含有しておらず、コーティングもされいない。厚さは0.5mmとした。放電空隙の面積は100cm2 、ギャップ量は0.1mm(100μm)とした。原料ガスとして純度が5N以上%の酸素ガスを用いた。安定オゾン濃度は5g/m3 (N)と極めて低かった。ちなみに目標オゾン濃度は200g/m3 (N)である。 As Conventional Example 1, an alumina substrate having a high purity of 99% was used as the dielectric. It contains no titanium oxide and is not coated. The thickness was 0.5 mm. The area of the discharge gap was 100 cm 2 , and the gap amount was 0.1 mm (100 μm). An oxygen gas having a purity of 5N or more was used as a source gas. The stable ozone concentration was extremely low at 5 g / m 3 (N). Incidentally, the target ozone concentration is 200 g / m 3 (N).
従来例2として、前記酸素ガスに0.8%の窒素ガスを添加した。比較的多量の窒素ガスを添加したにもかかわらず、安定オゾン濃度は50g/m3 (N)と依然低い。つまり、窒素ガスの添加による効果が甚だ不十分である。 As Conventional Example 2, 0.8% nitrogen gas was added to the oxygen gas. Despite the addition of a relatively large amount of nitrogen gas, the stable ozone concentration is still as low as 50 g / m 3 (N). That is, the effect of adding nitrogen gas is very insufficient.
従来例3として、前記アルミナ基板の放電空隙側の表面に、酸化チタン含有物質(TiO2 量60重量%)を蒸着により1000オングストロームの厚さにコーティングした。0.8%の窒素ガスを添加した酸素ガスを使用した。安定オゾン濃度として、目標値である200g/m3 (N)が確保された。但し、このようなコーティングがアルミナ板の優れた特性(高い耐オゾン性、耐スパッタリング性などによる高クリーン度)を阻害し、また放電ギャップ量を不均一化することは前述したとおりである。 As Conventional Example 3, the surface of the alumina substrate on the discharge gap side was coated with a titanium oxide-containing substance (TiO 2 content 60 wt%) to a thickness of 1000 Å by vapor deposition. Oxygen gas added with 0.8% nitrogen gas was used. As the stable ozone concentration, a target value of 200 g / m 3 (N) was secured. However, as described above, such a coating inhibits the excellent properties (high cleanliness due to high ozone resistance, sputtering resistance, etc.) of the alumina plate and makes the discharge gap amount non-uniform.
本発明の実施例1として、純度が99%以上と高純度で、酸化チタンをTi元素量比率で0.006重量%含有するアルミナ基板を誘電体に用いた。他の条件は従来例2,3と同じとした。即ち、原料ガスとして窒素ガスを0.8%含む酸素ガスを用いた。酸化チタンが非常に少量であるにもかかわらず、安定オゾン濃度として200g/m3 (N)が確保された。 As Example 1 of the present invention, an alumina substrate having a high purity of 99% or more and containing 0.006% by weight of titanium oxide in a Ti element amount ratio was used as a dielectric. Other conditions were the same as those in Conventional Examples 2 and 3. That is, oxygen gas containing 0.8% nitrogen gas was used as the source gas. Despite the very small amount of titanium oxide, a stable ozone concentration of 200 g / m 3 (N) was secured.
本発明の実施例2として、純度が95%と高純度で、酸化チタンをTi元素量比率で3重量%含有するアルミナ板を誘電体に用いた。他の条件は実施例1と同じとした。安定オゾン濃度として200g/m3 (N)が確保された。 As Example 2 of the present invention, an alumina plate having a purity as high as 95% and containing 3% by weight of titanium oxide in a Ti element amount ratio was used as a dielectric. Other conditions were the same as in Example 1. A stable ozone concentration of 200 g / m 3 (N) was secured.
本発明の実施例3として、純度が90%と高純度で、酸化チタンをTi元素量比率で6重量%含有するアルミナ板を誘電体に用いた。他の条件は実施例1,2と同じとした。安定オゾン濃度として200g/m3 (N)が確保された。 As Example 3 of the present invention, an alumina plate having a purity as high as 90% and containing 6% by weight of titanium oxide in a Ti element amount ratio was used as a dielectric. Other conditions were the same as in Examples 1 and 2. A stable ozone concentration of 200 g / m 3 (N) was secured.
比較例1として、純度が99%以上と高純度で、酸化チタンを本発明範囲より少ない量(Ti元素量比率で0.005重量%)含有するアルミナ板を誘電体に用いた。他の条件は実施例1,2,3と同じとした。安定オゾン濃度は80g/m3 (N)と低かった。 As Comparative Example 1, an alumina plate having a purity as high as 99% or more and containing titanium oxide in an amount less than the range of the present invention (0.005 wt% in terms of Ti element amount) was used as a dielectric. The other conditions were the same as in Examples 1, 2, and 3. The stable ozone concentration was as low as 80 g / m 3 (N).
比較例2として、純度が90%と高純度で、酸化チタンを本発明範囲より多い量(Ti元素量比率で7重量%)含有するアルミナ板を誘電体に用いることを試みた。機械的強度が不足し、誘電体の作製自体が困難であった。 As Comparative Example 2, an attempt was made to use an alumina plate having a high purity of 90% and containing titanium oxide in an amount larger than the range of the present invention (7% by weight in terms of Ti element amount) as a dielectric. The mechanical strength was insufficient and it was difficult to produce the dielectric itself.
本発明の実施例4として、純度が80%と比較的低純度で、酸化チタンをTi元素量比率で6重量%含有するアルミナ板を誘電体に用いた。他の条件は実施例1,2,3と同じとした。安定オゾン濃度として200g/m3 (N)が確保された。ちなみに、酸化チタンを多量に含むこの低純度アルミナ基板の場合、窒素ガスの添加がなくても、安定オゾン濃度としては100g/m3 (N)近くが確保された。 As Example 4 of the present invention, an alumina plate having a purity as low as 80% and containing 6% by weight of titanium oxide in a Ti element amount ratio was used as a dielectric. The other conditions were the same as in Examples 1, 2, and 3. A stable ozone concentration of 200 g / m 3 (N) was secured. Incidentally, in the case of this low-purity alumina substrate containing a large amount of titanium oxide, a stable ozone concentration of about 100 g / m 3 (N) was ensured without the addition of nitrogen gas.
以上の例から酸化チタンの含有が触媒ガスの添加効果を引き出すのに有効ことが明らかである。なお、いずれの例でもTiなどの金属元素量はXPS(X線光電子分光分析)により測定した。 From the above examples, it is clear that the inclusion of titanium oxide is effective in bringing out the effect of adding the catalyst gas. In each example, the amount of metal element such as Ti was measured by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy).
10 誘電体
11 原料ガス・オゾンガス用の流通孔
12 冷媒供給・排出用の流通孔
13 電極引き出し用の貫通孔
20 電極膜
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