JP4237993B2

JP4237993B2 - Discharge electrode member and ozone generator using the same

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Publication number: JP4237993B2
Application number: JP2002266017A
Authority: JP
Inventors: 善裕大川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: JP2004099400A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に半導体の酸化処理工程などに用いられるオゾンを生成するためのオゾン発生器などに用いられる放電用電極部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高電圧電源を用いた放電を利用してオゾン発生器、レーザ発振器などが製造されている。レーザは各種材料の加工、計測、光通信、手術、兵器などに使われ、また強い酸化力を持つオゾンは半導体関連の酸化処理工程などに利用されている。
【０００３】
オゾン発生器などの放電発生装置に使用される放電プラズマの因子としては、（１）電極の形状・構造、（２）印加電圧波形、（３）電子のエネルギー分布、（４）放電の形態などが挙げられる。従来の産業応用や環境応用で利用されている放電発生装置の放電形態は、弱電離プラズマの一つである熱的非平衡放電であり、高エネルギーの電子を生成しガス分子（中性粒子）との衝突解離を利用した化学反応や、分子およびイオンの脱励起に伴い発生する放電光の利用に用いられている。
【０００４】
オゾンは、上述した熱的非平衡放電によって生成した熱的非平衡プラズマ中に、乾燥空気や酸素などの酸素を含有するガスを通すことにより生成することができる。熱的非平衡プラズマは、プラズマのガス温度が低いために、放電の際に発生する熱によるオゾンの再分解を防ぐことができることから、オゾンの生成に好適に用いられる。
【０００５】
このような熱的非平衡プラズマは、コロナ放電に代表される無声放電、ストリーマ放電などにより生成される。これらの放電形態は、電極の形状や構造、および電極間に印加する電圧の種類により異なり、適用分野によって最適なものを選択することができる。
【０００６】
無声放電方式の放電発生装置においては、高電圧電極と接地電極の放電ギャップ間にアーク放電が発生すると、電極材料の一部が蒸発して気体となって電極が損傷する、蒸発した電極材料の一部が再凝縮して装置内部が汚染されるといった問題が生じる。そこで、これを防止するために、高電圧電極と接地電極間の放電ギャップ間に融点の高い誘電体磁器からなる放電用電極部材を介在させることが行われている。
【０００７】
従来のオゾン発生器の一例を図１に示す。高電圧電極１０と接地電極１１は放電ギャップ１２が形成されるように並設され、このギャップ間に高圧交流電源１４より発生させた例えば１０数ｋＶの高電圧を印加して微小放電柱１５の集合体である無声放電を発生させ、酸素含有ガス１６を分解しオゾン１７を得る。ここで、誘電体磁器からなる放電電極用部材１３を前記放電ギャップ１２間に介在させることにより、アーク放電を防止する効果を持たせている。
【０００８】
しかし、無声放電方式は消費電力に対するガスの生成ならびに分解効率は理論値に比べて低く、残りの電力は前記誘電体磁器による誘電損失や放電熱などの熱放出により消費される。特に誘電損失の大きい、即ちＱ値の小さい誘電体磁器からなる放電用電極部材では、電力が誘電損失による熱の発生に替わるために、前記分解効率が低い傾向がある。
【０００９】
また、ストリーマ放電方式を用いた放電発生装置の応用例として、特許文献１に記載されたオゾン発生装置がある。この装置は、放電ギャップを介して対向配設された高圧電極、および放電電流の集中を抑制しアーク放電への転移を防ぐために誘電体磁器からなる放電用電極部材で構成された接地電極間に、急峻でかつパルス全幅の短い、急峻・短パルス電圧を印加することにより、ストリーマ放電を生起させてオゾン生成を行うものである。さらに、特許文献２ならびに特許文献３に記載されたオゾン発生器では、急峻・短パルス発生電源に加えて種電子発生装置を組み合わせることにより、緻密なストリーマ放電を発生させている。
【００１０】
このストリーマ放電では、急峻・短パルス電圧の利用により、オゾン生成に寄与する電子のエネルギーのみを高くし、ガス分子やイオンに与えるエネルギーを低く抑えることが可能となる。これにより、オゾンの分解を抑え、無声放電方式に比べて効率のよいオゾン生成が可能となるとされている。
【００１１】
また、オゾン発生用電極の材料は、強い酸化力を持つオゾンに暴露されるので、耐酸化性を有する材料でなければならない。例えば、Ａｇ、Ｎｉ、Ｍｏ等の金属またはこれらの合金からなる材料は酸化されてしまい、使用できない。また、オゾンで酸化されにくいＰｔは非常に高価であるという問題がある。このため、オゾン発生器の放電用電極部材としては、例えば、特許文献４では、金属電極上に溶射により耐オゾン性を有するＡｌ₂Ｏ₃などの比誘電率が５以上の誘電体コーティング膜を形成したものが開示され、さらに、特許文献５には、無機質金属酸化物ゾルにチタン酸バリウムウィスカーを混入してゾルゲル法により金属電極表面に１００μｍ以上の厚い絶縁皮膜を形成し、耐オゾン性を高めたものが開示されている。
【００１２】
また、特許文献６には、多孔質からなる電極基材と、白金族元素の酸化物および白金族元素を含む合金の内いずれか一つからなる複合組成物を含み、前記電極基材を被覆する電極触媒とを有するオゾン発生用電極が開示されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１１−２０９１０５号公報（第３−４頁、第１図）
【００１４】
【特許文献２】
特開昭６２−１２３００３号公報（第２頁、第１図、第３図）
【００１５】
【特許文献３】
特開昭６２−２７５００４号公報（第２頁、第１図、第３図）
【００１６】
【特許文献４】
特開２００１−２９４４０６号公報（第１２頁、第１図、符号１）
【００１７】
【特許文献５】
特開２００２−１６７２０２号公報（第４−６頁）
【００１８】
【特許文献６】
特開２００２−８０９８６号公報（第９頁、第１図、符号１）
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
オゾン生成の方法として無声放電方式を用いた場合、オゾン生成を効率良く行うために、高電圧電極と接地電極との間に生成する放電ギャップの長さを１〜２ｍｍ程度以下に設定するとともに、長さを均一にして、放電を均一かつ安定に発生させる必要がある。しかし、数ｍｍ以下の微小なギャップ長を均一に保つ事は難しく、安定な無声放電は得られにくい。特に大容量の大型オゾン発生装置になるほど、放電用電極部材の誘電損失による多量の熱の発生、放電用電極部材の絶縁破壊によるアーク放電の発生という問題が起こりやすいという問題がある。
【００２０】
また、オゾン生成の方法としてストリーマ放電方式を用いた場合、この方式によって生成される放電はフィラメント状であるため、放電ギャップ内に占める放電の割合である放電空間利用率は高いとは言えず、電極間に注入された電力はオゾン生成に十分に利用されていない。
【００２１】
本発明は上記の点を考慮してなされたもので、放電空間に一様で安定したプラズマを形成させるために用いられる、高い絶縁耐力、高い耐放電スパッタ性、優れた耐オゾン性を有する放電用電極部材を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の放電用電極部材は、結晶相としてＣａＴｉＯ₃およびＭｇＴｉＯ₃からなる結晶を含有し、粒界層の厚みが２０ｎｍ以下の焼結体からなることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の放電用電極部材は、気孔率が５％以下であることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の放電用電極部材は、前記粒界層が非晶質であることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の放電用電極部材は、ＭｇをＭｇＯ換算で１〜１５重量％含有することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の放電用電極部材は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｅおよびＣｒのうち少なくとも１種をそれぞれＳｉＯ₂、ＭｎＯ₂、ＮｉＯ、ＣｅＯ₂およびＣｒ₂Ｏ₃換算で合計５重量％以下含有することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明のオゾン発生器は、一対の電極が互いに対向して配置されたオゾン発生器において、前記電極の少なくとも一方に本発明の放電用電極部材が取り付けられていることを特徴とする。
【００２９】
【作用】
本発明においては、結晶相としてＣａＴｉＯ₃およびＭｇＴｉＯ₃からなる結晶を含有し、粒界層の厚みを２０ｎｍ以下とすることにより、高い絶縁耐力、高い耐放電スパッタ性を有する放電用電極部材を提供することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳述する。本発明の放電用電極部材はセラミックス多結晶体からなり、結晶相としてＣａＴｉＯ₃およびＭｇＴｉＯ₃からなる結晶を含有し、粒界層の厚みが２０ｎｍ以下であることが重要である。
【００３１】
本発明の放電用電極部材が結晶相としてＣａＴｉＯ₃およびＭｇＴｉＯ₃からなる結晶を含有することが重要である理由は次の通りである。
【００３２】
一般にＣａＴｉＯ₃はＭｇＴｉＯ₃とは固溶しにくい。そのため、焼結体中にＣａＴｉＯ₃からなる結晶とＭｇＴｉＯ₃からなる結晶が混在する場合は、ＭｇＴｉＯ₃からなる結晶がＣａＴｉＯ₃からなる結晶に対して転位をピン止めする作用を奏し、耐絶縁耐破壊性、耐放電スパッタ性を向上させることができると考えられる。なお、ここで「ピン止め」とは、結晶中の転位の伝搬を抑制する作用のことをいう。
【００３３】
前記ピン止め効果は次のようなメカニズムによって起こると考えられる。
【００３４】
一般的に絶縁破壊はＣａＴｉＯ₃結晶の誘電現象の機構に起因する。即ち、絶縁性を有するＣａＴｉＯ₃結晶に電圧を印加して内部に電界を生じさせると、結晶内部で電界の向きに沿った分極が起こり電位差を持つ。これが誘電性を発現する仕組みであり、金属酸化物は通常、電界強度に対する分極の度合いが大きいため、一般に比誘電率の大きな材料となり得る。その一方で、結晶内部の分極は結晶の歪みを伴い、結晶界面に応力を誘発する。結晶界面に発生する応力は、分極の度合いが大きいほど（＝比誘電率が大きいほど）高い。結晶内部の分極によって生じた結晶歪み応力によって結晶粒界に亀裂が生じ、それが徐々に進展し、ついには絶縁破壊する。
【００３５】
前記亀裂を抑制するためには、比誘電率の高いＣａＴｉＯ₃結晶界面で発生する応力に伴って生じる転位をピン止めできる作用を有する結晶を前記結晶界面に存在させることが望ましい。この作用を有する結晶相がＭｇＴｉＯ₃である。
【００３６】
本発明の放電用電極部材にＭｇＴｉＯ₃からなる結晶相を含有させることにより、分極により生じたＣａＴｉＯ₃結晶粒界の亀裂はその進展を抑制され、絶縁破壊を起こしにくくなって機械的強度が向上する。
【００３７】
また、本発明の放電用電極部材に含まれる結晶は、ラメラ構造を有する結晶であることが耐絶縁性を向上させるために望ましい。特に前記ＣａＴｉＯ₃からなる結晶がラメラ構造を有することが望ましい。ここで言うラメラ構造とは、高分子化合物において一般的に見られるような規則性を持った構造だけではなく、結晶内部の層構造が不規則性を持ってランダムに配向している構造をも含んでいる。この構造は後述する本発明の誘電体磁器の製造方法により得ることができる。
【００３８】
前記ピン止めの作用効果を発現させるためには、前記粒界層の厚みを２０ｎｍ以下とすることが重要である。それは、粒界層の厚みが２０ｎｍを越えると、粒界が起点となって絶縁破壊が起こりやすくなるため、耐絶縁性が低下すること、また、耐オゾン性の低い粒界からの浸食により、オゾンに対する耐食性が低下すること、の２つの理由による。
【００３９】
前記粒界層の厚みは、平均の粒界層厚みを意味する。望ましくは前記粒界層の平均厚みが１０ｎｍ以下、特に望ましくは３ｎｍ以下、最も望ましくは１ｎｍ以下である。また、実質的に粒界層が存在しない場合においても前記ピン止めの作用効果により、耐絶縁性を著しく向上させることができる。
【００４０】
また、粒界層の厚みを２０ｎｍ以下とすることにより、オゾン発生器における電力利用効率を向上させることができるが、その理由は次のように考えられる。高周波電源や直流電源から放電用電極部材を介して放電空間にプラズマを発生させる場合、電気エネルギーの一部が放電用電極部材の誘電損失によって熱エネルギーに変わるため、電力利用効率が低下する。電力利用効率を向上させるためには、放電用電極部材の誘電損失を小さくする必要がある。本発明の放電用電極部材においては、粒界層の厚みが２０ｎｍ以下の場合に誘電損失を小さくすることができるため、電力利用効率を向上させることできる。
【００４１】
また、本発明の放電用電極部材の気孔率は５％以下とすることが望ましい。これは、気孔率が大きいと、特に結晶粒界に気孔が集中して存在し、その結果前記ピン止めの作用効果が低減し結晶界面を基点として絶縁破壊が起こりやすくなるからである。耐絶縁性を向上させるためには、前記気孔率は２％以下が望ましく、１％以下が特に望ましく、０．３％以下が最も望ましい。
【００４２】
また、本発明の放電用電極部材に含まれる粒界層は、非晶質であることが望ましい。粒界層が非晶質でない場合、結晶粒子間の接合強度が弱くなり、その結果絶縁破壊しやすくなるためである。
【００４３】
さらに、本発明の放電用電極部材は、ＭｇをＭｇＯ換算で１〜１５重量％含有することが望ましい。これにより、オゾン発生器の放電プラズマを安定させることができる。その理由は次のように考えられる。
【００４４】
オゾン発生器の高周波電源から放電用電極部材を介して放電空間にプラズマを発生させる場合、放電用電極部材の比誘電率をεrとすると、放電用電極部材の内部では電磁波の波長がおよそ１／εr^1/2に短縮される。放電用電極部材のεrが大きいと、放電用電極部材を伝搬する電磁波の波長が短くなり、磁界エネルギーを放電用電極部材に集中させた後、放電することができるためプラズマの放電が安定する。したがって、放電プラズマを安定させるためには、放電用電極部材のεrは大きい方が好ましい。
【００４５】
本発明の放電用電極部材においては、Ｍｇ量が少ないほどεrが大きくなるため、放電プラズマを安定させるためには、Ｍｇ量が少ないほうが望ましい。しかし、Ｍｇ量がＭｇＯ換算で１重量％未満であると前記ピン止めの効果が小さくなり、耐絶縁破壊性の向上が抑えられる。また、逆に１５重量％を越えるとＭｇを含む粒子のクラスター化によって亀裂進展の経路が増加し、耐絶縁破壊性の向上が著しくなくなる。よって、Ｍｇの含有量は、ＭｇＯ換算で３重量％〜１２重量％がより望ましい。
【００４６】
本発明の放電用電極部材に含まれるＣａＴｉＯ₃結晶およびＭｇＴｉＯ₃結晶の存在は、例えばＸ線回折法、または透過型電子顕微鏡による制限視野電子回折像解析、微小Ｘ線回折法などにより確認することができる。
【００４７】
また、本発明の放電用電極部材に含まれるＭｇの含有量は、ＩＣＰ発光分光分析法により定量分析し、ＭｇＯ量に換算する。
【００４８】
また、前記粒界相の厚みは例えば透過型電子顕微鏡を用いた格子像観察により測定する。具体的には、例えば、誘電体磁器をＴｅｃｈｎｏｏｒｇＬｉｎｄａ製イオンシニング装置を用いて加工した後、ＪＥＯＬ社の透過型電子顕微鏡ＪＥＭ２０１０ＦおよびＮｏｒａｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＥＤＳ分析装置ＶｏｙａｇｅｒＩＶを用いて、本発明の放電用電極部材に含まれるＣａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃からなる結晶の存在、結晶の粒界層の厚みを測定、分析する。
【００４９】
前記粒界層の厚みは、１０箇所以上無作為に粒界層を選びこれらの粒界層厚みの平均値として算出する。
【００５０】
また、本発明の放電用電極部材は、放電時における亀裂進展が進行して絶縁破壊に至ることを抑制するために、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｅおよびＣｒのうち少なくとも１種をそれぞれＳｉＯ₂、ＭｎＯ₂、ＮｉＯ、ＣｅＯ₂およびＣｒ₂Ｏ₃換算で合計０．０１〜５重量％含有することが望ましい。本発明の放電用電極部材中にＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｅおよびＣｒのいずれかが含有される場合、その存在量はＩＣＰ発光分光分析法により測定し、それぞれＳｉＯ₂、ＭｎＯ₂、ＮｉＯ、ＣｅＯ₂およびＣｒ₂Ｏ₃の重量％に換算する。
【００５１】
これらを含有することにより、放電時に亀裂進展の進行を抑制することができる理由は、これらがＭｇＴｉＯ₃からなる結晶粒子内に固溶し、前記ピン止めの作用を向上させるためである。これらの含有量は合計で０．０１重量％〜５重量％にあるのが望ましい。０．１重量％以下では、亀裂進展を抑制する効果が乏しく、逆に、５重量％を超えるとこれらの元素がＭｉＴｉＯ₃からなる結晶粒子に対する固溶できなくなり、これらの元素が粒界層に析出して、粒界層の厚みを２０ｎｍよりも厚くしてしまうという問題があるためである。
【００５２】
また、本発明の放電用電極部材は、小型でかつ耐絶縁破壊性を向上できるという観点から比誘電率が８０〜１９０であることが望ましい。特に望ましくは比誘電率が１１０〜１６０である。
【００５３】
本発明の放電用電極部材の製造方法は具体的には、例えば以下の工程（１ａ）〜（５ａ）から成る。
【００５４】
（１ａ）出発原料として、高純度の炭酸マグネシウムおよび酸化チタンの各粉末を用いて、所望の割合となるように秤量後、純水を加え、混合原料のメジアン径が２．０μｍ以下、望ましくは０．６〜１．４μｍとなるまで、ジルコニアボールなどを使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行い混合物を得る。なお、メジアン径とは、粒子体の１つの集団の全体積を１００％として累積カーブを求めたとき、そのカーブが５０％となる点の粒子径（累積粒子径）を指す。この混合物を乾燥後、９００〜１１００℃で１〜１０時間仮焼する。この仮焼粉をメジアン径で０．６μｍ以下となるように粉砕し、粉砕粉Ａを得る。
【００５５】
（２ａ）出発原料として、平均粒径２μｍ以下の高純度の炭酸カルシウム、および平均粒径２μｍ以下の酸化チタンの各粉末を用いて、所望の割合となるように秤量後、純水を加え、混合原料のメジアン径が１．０μｍ以下、望ましくは０．３〜０．８μｍとなるまで、ジルコニアボールなどを使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行い混合物を得る。この混合物を乾燥後、９００〜１１００℃で１〜１０時間仮焼、仮焼物Ｂを得る。
【００５６】
（３ａ）得られた粉砕粉Ａ、仮焼粉ＢおよびＳｉＯ₂、ＭｎＯ₂、ＮｉＯ、ＣｅＯ₂およびＣｒ₂Ｏ₃のうち少なくとも１種を混合し、純水を加え、メジアン径が０．３〜０．６μｍとなるまで、ジルコニアボールなどを使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行う。
【００５７】
（４ａ）更に、３〜１０重量％のバインダーを加えてから脱水し、その後公知の例えばスプレードライ法などにより造粒または整粒し、得られた造粒体又は整粒粉体などを公知の成型法、例えば金型プレス法、冷間静水圧プレス法、押し出し成形法などにより電極部材を得るための形状に成形する。なお、造粒体又は整粒粉体などの形態は粉体などの固体のみならず、スラリーなどの固体、液体混合物でも良い。この場合、液体は水以外の液体、例えばＩＰＡ（イソプロピルアルコール）、メタノ−ル、エタノ−ル、トルエン、アセトンなどでも良い。
【００５８】
（５ａ）得られた成形体を大気中１２５０℃〜１３５０℃で５〜１０時間保持後、７００℃までを降温速度５〜９０℃／時間で降温して焼成する。望ましくは、前記降温速度が１５〜３０℃／時間である。
【００５９】
上述の製造方法において、特に出発原料、粉砕粉の粒径制御および焼成条件制御が重要であり、これによって粒界層が２０ｎｍ以下の放電用電極部材を得ることができる。粒界層の厚みを２０ｎｍ以下に制御するためには、特に、粉砕物Ａのメジアン径を小さくすること、前記（３ａ）におけるメジアン径を制御すること、および前記降温速度を上述の範囲内で一定に降温することが重要である。
【００６０】
また、本発明の放電用電極部材の粒界層を非晶質とするためには、前記純水中のＳｉイオン濃度が１〜１０ｐｐｍであることが望ましい。前記Ｓｉイオン濃度を１〜１０ｐｐｍとすることにより、本発明の放電用電極部材の粒界層を少なくともＳｉを含有する非晶質粒界層とすることができる。この非晶質粒界層は非常に高い絶縁性および耐オゾン性を有するため、耐絶縁性および耐オゾン性が特に優れた放電用電極部材を得ることができる。
【００６１】
また、上述の製造方法において、得られる焼結体の気孔率を５％以下にするには、例えば前記成形体の密度を前記焼成体の密度に対して５５％以上、望ましくは６５％以上とすればよい。
【００６８】
本発明の放電用電極部材に含まれるＮａ量はＮａ₂Ｏ換算で０．５重量％以下であることが、耐オゾン性を特に向上させるために望ましい。Ｎａが少ないと耐オゾン性が向上する理由は次の様に考えられる。すなわち、Ｎａが０．５重量％よりも多いと粒界層にＮａを含む化合物が析出し、この化合物がオゾンに腐食されることによって放電用電極部材にクラックが入ったり、破壊したりしやすくなる。Ｎａが０．５重量％よりも少ないとＮａを含む化合物が粒界層に析出しにくくなるため、耐オゾン性を向上させることができると考えられる。特に望ましくはＮａがＮａ₂Ｏ換算で０．１重量％以下であることが望ましい。
【００６９】
また、本発明の放電用電極部材が基板形状を有する場合、前記基板形の電極部材の厚さは１〜２０ｍｍであることが望ましい。基板形電極部材の厚さが１ｍｍ未満であると耐絶縁破壊性の向上が著しくなく、２０ｍｍを越えると放電時の亀裂の進展を抑制する効果が著しくないからである。
【００７０】
前記基板の辺長さ、または径に対する基板厚みの比率は、０．００３〜０．１５の範囲とすることが望ましい。その理由は前記比率が０．００３未満であると絶縁破壊性の向上が著しくなく、またガスに対する気密性の向上が著しくないからである。逆に、比率が０．１５よりも大きいと放電時の亀裂の進展を抑制する効果が十分ではない恐れがある。なお、前記辺長さまたは径とは、正方形の場合は一辺の長さ、長方形の場合は短辺の長さ、円の場合は直径、その他の形状の場合は基板の面積を円の面積に換算した時の直径を用いる。
【００７１】
また、前記基板形の電極部材は、コーナー部が曲率半径１〜５０ｍｍの円弧状（Ｒ）または辺長さが１〜５０ｍｍの面取り形状（Ｃ面）を有するのが望ましい。その理由は、前記コーナー部を曲率半径１〜５０ｍｍのＲまたは１〜５０ｍｍのＣ面とすることにより、放電時にコーナー部への放電エネルギーの集中を緩和させて著しく耐絶縁性を向上させることができるからである。望ましくは前記曲率半径および前記Ｃ面の下限値は３ｍｍが望ましく、上限値は２５ｍｍが望ましい。なお、前記曲率半径とはＲの平均曲率半径を意味する。
【００７２】
本発明の放電用電極部材に電極を形成する場合は、前記放電用電極部材の上に例えばＰｔ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｕなどの金属をメッキ、焼き付け、蒸着、スパッタリングなどにより形成する。放電する場合は、このようにして金属電極を取り付けた電極部材を一対形成し、電極間にガスを流した状態で電圧を印加すればよい。
【００７３】
本発明の放電用電極部材は、オゾン発生器用の放電用電極部材として特に好適に用いられる。また、本発明の放電用電極部材はオゾン発生器の放電電力値が１ｋＶ以上の場合に好適に用いられる。
【００７４】
次に本発明の電極部材がオゾン発生器用として好適な理由について例を挙げて説明する。
【００７５】
本発明のオゾン発生器は、一対の電極が互いに対向して配置されたオゾン発生器において、前記電極の少なくとも一方に前記放電用電極部材を取り付けられてなる。
【００７６】
図１は本発明の放電用電極部材を用いた無声放電によるオゾン発生器の概略図である。図１において、高電圧電極１０と接地電極１１は放電ギャップ１２が形成されるように並設し、アーク放電を防止するための放電用電極部材１３を前記放電ギャップ１２間に介在させている。前記放電ギャップ１２間に高圧交流電源１４より発生させた、例えば１０数ｋＶの高電圧を印加することによって、微小放電柱１５の集合体である無声放電を発生させて、前記放電ギャップ１２中の酸素含有ガス１６（空気など）をイオン化し、オゾン１７を発生させることができる。
【００７７】
また、図２は本発明の放電用電極部材を用いたストリーマ放電方式のオゾン発生器の概略図である。まず、円筒状とした本発明の放電用電極部材２６の内側の空隙部２７に高電圧電極２８を挿入する。また、放電用電極部材２６を冷却するために、その周囲には冷却水２０が存在している。この冷却水２０は、放電用電極部材２６と接触し接地側電極を兼用している。この高電圧電極２８と冷却水２０間にインパルス電源２９が接続されている。
【００７８】
この空隙部２７に原料ガス２１（酸素または空気）が供給され、インパルス電源２９より、急峻でかつパルス全幅の短い急峻・短パルス電圧が印加される。これにより、放電ギャップを介して対向配設された高電圧電極２８と放電用電極部材２６の間の放電空間２３にストリーマ放電が形成され、原料ガス２１が分解しオゾン２２が生成する。ここで、放電用電極部材２６に本発明の放電用電極部材が用いられているため、放電電流の集中を抑制し、アーク放電への転移を防ぐことができる。これにより、濃度の高いオゾン２２を生成することが可能となる。
【００７９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更は何等差し支えない。
【００８０】
【実施例】
実施例１
以下の（１ｂ）〜（５ｂ）に示すように本発明の放電用電極部材を作製した。
【００８１】
（１ｂ）出発原料として、高純度の炭酸マグネシウムおよび酸化チタンの各粉末を用いて、炭酸マグネシウムと酸化チタンを５１．３５１対４８．６４９の重量比で秤量後、純水を加え、混合原料のメジアン径が０．６〜１．４μｍとなるまで、ジルコニアボールなどを使用したボールミルにより５〜３０時間、湿式混合及び粉砕を行い混合物を得た。この混合物を乾燥後、１０００℃で５時間仮焼した。この仮焼粉をメジアン径で０．５μｍとなるようにジルコニアボールを用いて粉砕し、粉砕粉Ａを得た。
【００８２】
（２ｂ）出発原料として、平均粒径２μｍ以下の高純度の炭酸カルシウム、および平均粒径２μｍ以下の酸化チタンの各粉末を用いて、炭酸カルシウムと酸化チタンを５５．６１５対４４．３８５の重量比で秤量後、純水を加え、混合原料のメジアン径が１．０μｍ以下、望ましくは０．３〜０．８μｍとなるまで、ジルコニアボールなどを使用したボールミルにより１０〜４０時間、湿式混合及び粉砕を行い混合物を得た。この混合物を乾燥後、９００〜１１００℃で１〜１０時間仮焼、仮焼物Ｂを得た。
【００８３】
（３ｂ）得られた粉砕粉Ａ、仮焼粉Ｂを、ＭｇＴｉＯ₃およびＣａＴｉＯ₃換算で合計１００重量部とした場合、ＭｇＴｉＯ₃が３〜１２重量％となるような混合比率で混合し、さらに、ＳｉＯ₂、ＭｎＯ₂、ＮｉＯ、ＣｅＯ₂およびＣｒ₂Ｏ₃のうち少なくとも１種を前記粉砕粉Ａ、仮焼粉Ｂの混合物に対して合計で１重量％添加した。これに、純水を加え、メジアン径が０．３〜０．５μｍとなるまで、ジルコニアボールなどを使用したボールミルにより５〜４０時間、湿式混合及び粉砕を行った。なお、純水中のＳｉイオン濃度は２〜５ｐｐｍであった。
【００８４】
（４ｂ）更に、５重量％のバインダーを加えてから脱水し、スプレードライ法により造粒し、得られた造粒体を粉末プレス法により板形状に成形した。
（５ｂ）得られた成形体を大気中１２５０℃〜１３５０℃で６時間保持後、７００℃までを平均降温速度３０℃／時間で降温して焼成し、図３に示す厚み２〜８ｍｍの本発明の放電用電極部材３０を得た。
【００８５】
この放電用電極部材をＸ線回折法により測定した結果、結晶相としてＪＣＰＤＳＮｏ．６−０４９４のＭｇＴｉＯ₃、ＪＣＰＤＳＮｏ．４２−０４２３および／または２２−０１５３のＣａＴｉＯ₃が検出された。また、本発明の放電用電極部材をＴｅｃｈｎｏｏｒｇＬｉｎｄａ製イオンシニング装置を用いて加工した後、ＪＥＯＬ社の透過型電子顕微鏡ＪＥＭ２０１０ＦおよびＮｏｒａｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＥＤＳ分析装置ＶｏｙａｇｅｒＩＶを用いて、ＣａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃からなる結晶の存在、結晶の粒界層の厚みを測定した。その結果、全ての試料においてＣａＴｉＯ₃、ＭｇＴｉＯ₃からなる結晶の存在が確認され、粒界層の平均厚みが５ｎｍ以下であることが明らかとなった。
【００８６】
なお、粒界層の厚みは、粒界層１０箇所を無作為に選んで測定した。また、粒界層は非晶質で、結晶粒子内部よりもＣａ、Ｚｒ、Ｓｉの存在比率が高くなっていた。図４および５に本発明の放電用電極部材の結晶写真の模式図を示す。図４の４１はラメラ構造を有するＣａＴｉＯ₃からなる結晶粒子を示す。また図５は図４中の結晶粒子４１および別の結晶粒子４２の境界部の拡大図であり、４３は粒界層であり厚みは０．５ｎｍとなっている。
【００８７】
さらに、Ｍｇ量およびＣａ量をＩＣＰ発光分光分析法で測定し、Ｍｇ量をＭｇＴｉＯ₃量に換算、ＣａをＣａＴｉＯ₃量に換算し、得られたＭｇＴｉＯ₃量とＣａＴｉＯ₃量を合計で１００重量％となるように重量％に換算したところ、全ての試料においてＭｇＴｉＯ₃量が３〜１２重量％であることが確認された。
【００８８】
また、本発明の放電用電極部材の閉気孔率をベックマン法により求めた真比重とアルキメデス法により求めた見掛け比重とから計算したところ全て３％以下であった。
【００８９】
また、本発明の放電用電極部材の比誘電率をブリッジ法により１ＭＨｚで測定したところ８０〜１８０であった。
【００９０】
次にオゾン発生器用の陽極を次のように作製した。得られた基板形状の放電用電極部材の片面をテープによってマスキングし、他方の表面に白金の電気メッキを行なって、皮膜厚さ３μｍの白金からなる中間層を形成して、白金下地処理を施した。次いで８０℃、１．５Ａ／ｄｍ²の電流密度の条件で前記中間層に電気メッキを施して、中間層の白金上に白金−クロムメッキ層を形成し、さらに５５０℃の温度で酸素３０％−窒素７０％雰囲気中、ガス流量２００ｍＬ／ｍｉｎで熱処理を行った。
【００９１】
こうして得られた陽極と陰極であるＰｔ電極とを用いて図１に示すオゾン発生器を作製した。誘電体基板の形状５００×５００×５ｍｍ、原料ガス圧０．２５３ＭＰａ、放電電力密度５Ｗ／ｃｍ²、電源周波数１５ｋＨｚ、放電空隙長０．１ｍｍの運転条件で２００時間オゾン発生試験を行った。その結果、発生したオゾン濃度は２００〜３００ｇ／ｍ³となった。オゾン発生試験後、電極部材として用いた誘電体基板を観察した結果、クラック、亀裂は観察されなかった。また、放電プラズマ中には、アーク放電が起こらず安定であった。
【００９２】
比較例として、以下の（１ｃ）〜（５ｃ）で示される方法により誘電体基板を作製した。この方法により形成された誘電体基板の結晶相間の粒界層の平均厚みは２０ｎｍよりも大きく、気孔率が５％を越えていた。この誘電体基板を用いて、実施例と同様に２００時間オゾン発生試験を行った後、誘電体基板を観察したところ、すべての試料においてクラックやピンホールが観察された。このクラックは主に粒界層を起点として発生していることが確認された。また、このクラックが起点となって発生したアーク放電が観察された。
【００９３】
（１ｃ）出発原料として、高純度の炭酸マグネシウムおよび酸化チタンの各粉末を用いて、実施例と同様にして所望の割合となるように秤量後、純水を加え、混合原料のメジアン径が１．５〜２．０μｍとなるまで、ジルコニアボールなどを使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行い混合物を得た。この混合物を乾燥後、１０００℃で５時間仮焼した。この仮焼粉をメジアン径で１．０μｍとなるように粉砕し、粉砕粉Ｃを得た。
【００９４】
（２ｃ）出発原料として、平均粒径２μｍ以下の高純度の炭酸カルシウム、および平均粒径２μｍ以下の酸化チタンの各粉末を用いて、実施例と同様にして所望の割合となるように秤量後、純水を加え、混合原料のメジアン径が１．２〜１．５μｍとなるまで、ジルコニアボールなどを使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行い混合物を得た。この混合物を乾燥後、９００〜１１００℃で１〜１０時間仮焼、仮焼物Ｄを得た。
【００９５】
（３ｃ）得られた粉砕粉Ｃ、仮焼粉Ｄを２０対８０の重量比で混合し、さらに、ＮｉＯを前記粉砕粉Ｃ、仮焼粉Ｄの混合物に対して１の重量比で添加した。これに純水を加え、メジアン径が０．８〜１．０μｍとなるまで、ジルコニアボールなどを使用したボールミルにより湿式混合及び粉砕を行った。
【００９６】
（４ｃ）更に、５重量％のバインダーを加えてから脱水し、スプレードライ法により造粒し、得られた造粒体を粉末プレス法により板形状に成形した。
（５ｃ）得られた成形体を大気中１２５０℃〜１３５０℃で６時間保持後、７００℃までを平均降温速度２００℃／時間で降温して焼成し、図３に示す厚み２〜８ｍｍの放電用電極部材を得た。
【００９９】
【発明の効果】
本発明の放電用電極部材は、結晶相としてＣａＴｉＯ₃およびＭｇＴｉＯ₃からなる結晶を含有し、粒界層の厚みを２０ｎｍ以下とすることにより、耐絶縁特性、耐放電スパッタ性に優れるという効果がある。この放電用電極部材は、長時間安定してオゾンを発生させるオゾン発生器や、レーザ発振器に適用することができる。特に本発明の放電用電極部材をオゾン発生用電極部材として用いると、プラズマ放電法により放電空間に一様なプラズマを形成でき、放電空間の利用率を向上させ、精度に影響の少ない安定した放電ができ、かつ効率良くプラズマ処理可能なオゾン発生器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電用電極部材を用いたオゾン発生器の概略図である。
【図２】本発明の放電用電極部材を用いたオゾン発生器の他の実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明の放電用電極部材を示す斜視図である。
【図４】本発明の放電用電極部材の結晶写真の模式図である。
【図５】図４中のＡ部の拡大図である。
【符号の説明】
１０：高電圧電極
１１：接地電極
１２：放電ギャップ
１３：放電用電極部材
１４：高圧交流電源
１５：微小放電柱
１６：酸素含有ガス
１７：オゾン
２０：冷却水
２１：原料ガス
２２：オゾン
２３：放電空間
２６：放電用電極部材
２７：空隙部
２８：高電圧電極
２９：インパルス電源
３０：放電用電極部材からなる基板
４１：ラメラ構造を有する結晶粒子
４２：結晶粒子
４３：粒界層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrode member for discharge used in an ozone generator for generating ozone used particularly in a semiconductor oxidation process.
[0002]
[Prior art]
In recent years, ozone generators, laser oscillators, and the like have been manufactured using discharge using a high-voltage power supply. Lasers are used for processing various materials, measurement, optical communication, surgery, weapons, etc. Ozone with strong oxidizing power is used for semiconductor-related oxidation processes.
[0003]
Factors of discharge plasma used in a discharge generator such as an ozone generator include (1) electrode shape and structure, (2) applied voltage waveform, (3) electron energy distribution, (4) discharge mode, etc. Is mentioned. The discharge form of discharge generators used in conventional industrial and environmental applications is thermal non-equilibrium discharge, which is one of weakly ionized plasmas, and generates high-energy electrons and gas molecules (neutral particles). It is used for chemical reaction utilizing collisional dissociation with gas and for the use of discharge light generated by deexcitation of molecules and ions.
[0004]
Ozone can be generated by passing a gas containing oxygen, such as dry air or oxygen, through the thermal non-equilibrium plasma generated by the above-described thermal non-equilibrium discharge. The thermal non-equilibrium plasma is preferably used for generating ozone because the gas temperature of the plasma is low, so that re-decomposition of ozone due to heat generated during discharge can be prevented.
[0005]
Such a thermal non-equilibrium plasma is generated by silent discharge, streamer discharge, and the like typified by corona discharge. These discharge forms differ depending on the shape and structure of the electrodes and the type of voltage applied between the electrodes, and the optimum discharge form can be selected depending on the application field.
[0006]
In a silent discharge type discharge generator, when an arc discharge occurs between the discharge gap between the high-voltage electrode and the ground electrode, part of the electrode material evaporates to become a gas and damage the electrode. There arises a problem that a part of the inside is recondensed to contaminate the inside of the apparatus. Therefore, in order to prevent this, a discharge electrode member made of a dielectric ceramic having a high melting point is interposed between the discharge gaps between the high voltage electrode and the ground electrode.
[0007]
An example of a conventional ozone generator is shown in FIG. The high voltage electrode 10 and the ground electrode 11 are arranged side by side so that a discharge gap 12 is formed, and a high voltage of, for example, several tens of kV generated from the high-voltage AC power supply 14 is applied between the gaps to form the micro discharge column 15. Silent discharge that is an aggregate is generated to decompose the oxygen-containing gas 16 to obtain ozone 17. Here, the discharge electrode member 13 made of a dielectric ceramic is interposed between the discharge gaps 12 to provide an effect of preventing arc discharge.
[0008]
However, in the silent discharge method, the generation and decomposition efficiency of gas with respect to power consumption is lower than the theoretical value, and the remaining power is consumed by heat loss such as dielectric loss and discharge heat by the dielectric ceramic. In particular, in a discharge electrode member made of a dielectric ceramic having a large dielectric loss, that is, a small Q value, the power is replaced by the generation of heat due to the dielectric loss, so that the decomposition efficiency tends to be low.
[0009]
Moreover, there exists an ozone generator described in patent document 1 as an application example of the discharge generator using a streamer discharge system. This device is connected between a high-voltage electrode arranged oppositely through a discharge gap and a ground electrode composed of a discharge electrode member made of a dielectric ceramic in order to suppress concentration of discharge current and prevent transition to arc discharge. By applying a steep and short pulse voltage that is steep and has a short pulse width, ozone is generated by generating streamer discharge. Furthermore, in the ozone generators described in Patent Document 2 and Patent Document 3, a precise streamer discharge is generated by combining a seed electron generator in addition to the steep / short pulse generating power source.
[0010]
In this streamer discharge, the use of steep and short pulse voltages makes it possible to increase only the energy of electrons that contribute to ozone generation and to suppress the energy given to gas molecules and ions to a low level. Thereby, it is said that ozone decomposition is suppressed, and ozone generation can be performed more efficiently than the silent discharge method.
[0011]
In addition, the material for the electrode for generating ozone is exposed to ozone having a strong oxidizing power, so it must be a material having oxidation resistance. For example, materials such as metals such as Ag, Ni, and Mo or alloys thereof are oxidized and cannot be used. Moreover, there is a problem that Pt which is not easily oxidized by ozone is very expensive. For this reason, as an electrode member for discharge of an ozone generator, for example, in Patent Document 4, Al having ozone resistance by thermal spraying on a metal electrode ₂ O _Three And a dielectric coating film having a relative dielectric constant of 5 or more is disclosed. Further, Patent Document 5 discloses that a barium titanate whisker is mixed in an inorganic metal oxide sol and the surface of the metal electrode is formed by a sol-gel method. The thing which formed the thick insulating film of 100 micrometers or more and improved ozone resistance is disclosed.
[0012]
Patent Document 6 includes a composite composition composed of any one of a porous electrode base material and a platinum group element oxide and a platinum group element alloy, and covers the electrode base material. An electrode for generating ozone having an electrode catalyst is disclosed.
[0013]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-209105 (page 3-4, FIG. 1)
[0014]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 62-123003 (Page 2, FIGS. 1 and 3)
[0015]
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 62-275004 (page 2, FIG. 1, FIG. 3)
[0016]
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-294406 (page 12, FIG. 1, reference numeral 1)
[0017]
[Patent Document 5]
JP 2002-167202 A (page 4-6)
[0018]
[Patent Document 6]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-80986 (page 9, FIG. 1, reference numeral 1)
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
When a silent discharge method is used as a method of generating ozone, in order to efficiently generate ozone, the length of the discharge gap generated between the high voltage electrode and the ground electrode is set to about 1 to 2 mm or less, It is necessary to make the length uniform and generate the discharge uniformly and stably. However, it is difficult to keep a small gap length of several mm or less uniform, and it is difficult to obtain a stable silent discharge. In particular, the larger the large-capacity ozone generator, the more likely it is that problems such as generation of a large amount of heat due to dielectric loss of the discharge electrode member and occurrence of arc discharge due to dielectric breakdown of the discharge electrode member occur.
[0020]
In addition, when the streamer discharge method is used as the ozone generation method, the discharge generated by this method is filamentous, so it cannot be said that the discharge space utilization rate, which is the proportion of discharge occupying in the discharge gap, is high. The power injected between the electrodes is not fully utilized for ozone generation.
[0021]
The present invention has been made in consideration of the above points, and is used to form a uniform and stable plasma in a discharge space, and has a high dielectric strength, a high discharge spatter resistance, and an excellent ozone resistance. An object is to provide an electrode member.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The discharge electrode member of the present invention has CaTiO as a crystalline phase. _Three And MgTiO _Three It is characterized in that it comprises a sintered body having a grain boundary layer thickness of 20 nm or less.
[0023]
Further, the discharge electrode member of the present invention is characterized in that the porosity is 5% or less.
[0024]
In the discharge electrode member of the present invention, the grain boundary layer is amorphous.
[0025]
The discharge electrode member of the present invention is characterized by containing 1 to 15% by weight of Mg in terms of MgO.
[0026]
The discharge electrode member of the present invention is made of at least one of Si, Mn, Ni, Ce, and Cr, respectively, with SiO. ₂ , MnO ₂ , NiO, CeO ₂ And Cr ₂ O _Three It is characterized by containing 5% by weight or less in total.
[0028]
Moreover, the ozone generator of the present invention is characterized in that in the ozone generator in which a pair of electrodes are arranged to face each other, the discharge electrode member of the present invention is attached to at least one of the electrodes.
[0029]
[Action]
In the present invention, CaTiO is used as the crystal phase. _Three And MgTiO _Three The electrode member for discharge which has the high dielectric strength and the high discharge spatter-proof property can be provided by containing the crystal | crystallization consisting of and making the thickness of a grain boundary layer into 20 nm or less.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The electrode member for discharge of the present invention is made of a ceramic polycrystalline body, and has CaTiO as a crystal phase _Three And MgTiO _Three It is important that the crystal has a grain boundary layer thickness of 20 nm or less.
[0031]
The discharge electrode member of the present invention has CaTiO as a crystalline phase. _Three And MgTiO _Three The reason why it is important to contain a crystal consisting of is as follows.
[0032]
Generally CaTiO _Three Is MgTiO _Three It is difficult to dissolve. Therefore, CaTiO in the sintered body _Three Crystal composed of MgTiO _Three When crystals consisting of _Three The crystal consisting of CaTiO _Three It is considered that the dislocations can be pinned to the crystal made of the material, and the dielectric breakdown resistance and the discharge sputtering resistance can be improved. Here, “pinning” refers to the action of suppressing the propagation of dislocations in the crystal.
[0033]
The pinning effect is considered to occur by the following mechanism.
[0034]
Generally dielectric breakdown is CaTiO _Three This is due to the mechanism of the dielectric phenomenon of crystals. That is, insulating CaTiO _Three When a voltage is applied to the crystal to generate an electric field therein, polarization occurs along the direction of the electric field inside the crystal, resulting in a potential difference. This is a mechanism for developing dielectric properties, and metal oxides generally have a large degree of polarization with respect to electric field strength, and thus can generally be materials having a large relative dielectric constant. On the other hand, the polarization inside the crystal is accompanied by distortion of the crystal and induces stress at the crystal interface. The stress generated at the crystal interface is higher as the degree of polarization is larger (= as the relative dielectric constant is larger). Cracks occur at the grain boundaries due to crystal strain stress caused by the polarization inside the crystal, which gradually develops and eventually breaks down.
[0035]
In order to suppress the crack, CaTiO having a high relative dielectric constant is used. _Three It is desirable that a crystal having an action capable of pinning dislocations caused by stress generated at the crystal interface is present at the crystal interface. The crystalline phase having this action is MgTiO. _Three It is.
[0036]
MgTiO as an electrode member for discharge of the present invention _Three CaTiO produced by polarization by containing a crystal phase consisting of _Three The growth of the crystal grain boundary cracks is suppressed, and it is difficult for dielectric breakdown to occur and the mechanical strength is improved.
[0037]
In addition, it is desirable for the crystal contained in the discharge electrode member of the present invention to be a crystal having a lamellar structure in order to improve insulation resistance. Especially the CaTiO _Three It is desirable that the crystal consisting of has a lamellar structure. The lamellar structure here refers not only to a structure having regularity generally found in polymer compounds but also to a structure in which the layer structure inside the crystal is randomly oriented with irregularity. Contains. This structure can be obtained by the dielectric ceramic manufacturing method of the present invention described later.
[0038]
In order to develop the effect of pinning, it is important that the thickness of the grain boundary layer is 20 nm or less. That is, if the thickness of the grain boundary layer exceeds 20 nm, the grain boundary is the starting point and dielectric breakdown tends to occur, so that the insulation resistance is lowered, and erosion from the grain boundary with low ozone resistance is caused by This is due to two reasons that the corrosion resistance to ozone is lowered.
[0039]
The thickness of the grain boundary layer means an average grain boundary layer thickness. Desirably, the average thickness of the grain boundary layer is 10 nm or less, particularly desirably 3 nm or less, and most desirably 1 nm or less. Further, even when there is substantially no grain boundary layer, the insulation effect can be remarkably improved by the effect of the pinning.
[0040]
Moreover, the electric power utilization efficiency in an ozone generator can be improved by making the thickness of a grain boundary layer into 20 nm or less, The reason is considered as follows. When plasma is generated in a discharge space from a high frequency power source or a direct current power source through a discharge electrode member, a part of electric energy is changed to heat energy due to dielectric loss of the discharge electrode member, so that power use efficiency is lowered. In order to improve the power utilization efficiency, it is necessary to reduce the dielectric loss of the discharge electrode member. In the discharge electrode member of the present invention, when the thickness of the grain boundary layer is 20 nm or less, the dielectric loss can be reduced, so that the power utilization efficiency can be improved.
[0041]
The porosity of the discharge electrode member of the present invention is desirably 5% or less. This is because, when the porosity is high, the pores are concentrated especially at the crystal grain boundaries, and as a result, the effect of the pinning is reduced, and dielectric breakdown is likely to occur from the crystal interface. In order to improve insulation resistance, the porosity is preferably 2% or less, particularly preferably 1% or less, and most preferably 0.3% or less.
[0042]
The grain boundary layer included in the discharge electrode member of the present invention is preferably amorphous. This is because when the grain boundary layer is not amorphous, the bonding strength between the crystal grains becomes weak, and as a result, the dielectric breakdown is likely to occur.
[0043]
Further, the discharge electrode member of the present invention preferably contains 1 to 15% by weight of Mg in terms of MgO. Thereby, the discharge plasma of an ozone generator can be stabilized. The reason is considered as follows.
[0044]
When plasma is generated in the discharge space from the high frequency power supply of the ozone generator through the discharge electrode member, the wavelength of the electromagnetic wave is approximately 1 / inside the discharge electrode member, assuming that the dielectric constant of the discharge electrode member is εr. εr ^1/2 Shortened to When εr of the discharge electrode member is large, the wavelength of the electromagnetic wave propagating through the discharge electrode member is shortened, and after the magnetic field energy is concentrated on the discharge electrode member, the plasma discharge can be stabilized. Therefore, in order to stabilize the discharge plasma, it is preferable that εr of the discharge electrode member is large.
[0045]
In the discharge electrode member of the present invention, the smaller the amount of Mg, the larger the εr. Therefore, in order to stabilize the discharge plasma, the smaller amount of Mg is desirable. However, if the amount of Mg is less than 1% by weight in terms of MgO, the effect of pinning is reduced, and the improvement in dielectric breakdown resistance is suppressed. On the other hand, if it exceeds 15% by weight, the path of crack propagation increases due to clustering of particles containing Mg, and the resistance to dielectric breakdown is not significantly improved. Therefore, the content of Mg is more preferably 3% by weight to 12% by weight in terms of MgO.
[0046]
CaTiO contained in the discharge electrode member of the present invention _Three Crystal and MgTiO _Three The presence of the crystal can be confirmed by, for example, an X-ray diffraction method, a limited field electron diffraction image analysis by a transmission electron microscope, a micro X-ray diffraction method, or the like.
[0047]
Further, the content of Mg contained in the discharge electrode member of the present invention is quantitatively analyzed by ICP emission spectroscopic analysis and converted into the amount of MgO.
[0048]
The thickness of the grain boundary phase is measured by, for example, lattice image observation using a transmission electron microscope. Specifically, for example, after processing a dielectric porcelain using an ion thinning device manufactured by Technology Linda, using the transmission electron microscope JEM2010F manufactured by JEOL and the EDS analyzer Voyager IV manufactured by Noran Instruments, the discharge of the present invention is performed. CaTiO contained in electrode members _Three , MgTiO _Three Measurement and analysis of the presence of the crystal and the thickness of the grain boundary layer of the crystal.
[0049]
The grain boundary layer thickness is calculated as an average value of the grain boundary layer thickness by randomly selecting 10 or more grain boundary layers.
[0050]
In addition, the discharge electrode member of the present invention is made of at least one of Si, Mn, Ni, Ce, and Cr, respectively, in order to suppress the progress of cracks during discharge to cause dielectric breakdown. ₂ , MnO ₂ , NiO, CeO ₂ And Cr ₂ O _Three The total content is preferably 0.01 to 5% by weight. When any one of Si, Mn, Ni, Ce and Cr is contained in the discharge electrode member of the present invention, the abundance thereof is measured by ICP emission spectroscopy, ₂ , MnO ₂ , NiO, CeO ₂ And Cr ₂ O _Three Convert to weight%.
[0051]
The reason why the progress of crack propagation during discharge can be suppressed by containing these is that MgTiO _Three This is for improving the effect of the pinning by dissolving in the crystal grains made of. The total content of these components is desirably 0.01% to 5% by weight. If the content is less than 0.1% by weight, the effect of suppressing the crack growth is poor. Conversely, if the content exceeds 5% by weight, these elements are MiTiO. _Three This is because there is a problem in that the solid particles cannot be dissolved in the crystal grains, and these elements are precipitated in the grain boundary layer, thereby increasing the thickness of the grain boundary layer to more than 20 nm.
[0052]
In addition, the discharge electrode member of the present invention desirably has a relative dielectric constant of 80 to 190 from the viewpoint of being small in size and improving the dielectric breakdown resistance. The relative dielectric constant is particularly preferably 110 to 160.
[0053]
Specifically, the manufacturing method of the electrode member for discharge of the present invention includes, for example, the following steps (1a) to (5a).
[0054]
(1a) Using each powder of high-purity magnesium carbonate and titanium oxide as starting materials, after weighing to a desired ratio, pure water is added, and the median diameter of the mixed material is 2.0 μm or less, preferably The mixture is obtained by wet mixing and pulverization with a ball mill using zirconia balls or the like until 0.6 to 1.4 μm. The median diameter refers to the particle diameter (cumulative particle diameter) at which the curve becomes 50% when the cumulative curve is obtained with the total volume of one group of particles as 100%. The mixture is dried and calcined at 900 to 1100 ° C. for 1 to 10 hours. The calcined powder is pulverized to a median diameter of 0.6 μm or less to obtain pulverized powder A.
[0055]
(2a) Using each powder of high-purity calcium carbonate having an average particle diameter of 2 μm or less and titanium oxide having an average particle diameter of 2 μm or less as a starting material, after weighing to a desired ratio, pure water is added, The mixture is obtained by wet mixing and pulverization with a ball mill using zirconia balls or the like until the median diameter of the mixed raw material becomes 1.0 μm or less, preferably 0.3 to 0.8 μm. After drying this mixture, calcined at 900 to 1100 ° C. for 1 to 10 hours to obtain calcined product B.
[0056]
(3a) The obtained pulverized powder A, calcined powder B and SiO ₂ , MnO ₂ , NiO, CeO ₂ And Cr ₂ O _Three At least one of them is mixed, pure water is added, and wet mixing and pulverization are performed by a ball mill using zirconia balls or the like until the median diameter becomes 0.3 to 0.6 μm.
[0057]
(4a) Further, a binder of 3 to 10% by weight is added and dehydrated, and thereafter granulated or sized by a known method such as spray drying, and the obtained granulated material or sized powder is known. The electrode member is molded into a shape for obtaining an electrode member by a molding method, for example, a die pressing method, a cold isostatic pressing method, an extrusion molding method or the like. The form of the granulated body or the sized powder may be not only a solid such as a powder but also a solid such as a slurry or a liquid mixture. In this case, the liquid may be a liquid other than water, for example, IPA (isopropyl alcohol), methanol, ethanol, toluene, acetone or the like.
[0058]
(5a) The obtained molded body is held in the atmosphere at 1250 ° C. to 1350 ° C. for 5 to 10 hours, and then heated to 700 ° C. at a temperature decreasing rate of 5 to 90 ° C./hour and fired. Desirably, the cooling rate is 15 to 30 ° C./hour.
[0059]
In the above-described production method, it is particularly important to control the starting material, the particle size of the pulverized powder, and the firing conditions, whereby a discharge electrode member having a grain boundary layer of 20 nm or less can be obtained. In order to control the thickness of the grain boundary layer to 20 nm or less, in particular, the median diameter of the pulverized product A is reduced, the median diameter in the above (3a) is controlled, and the temperature drop rate is within the above range. It is important to keep the temperature constant.
[0060]
In order to make the grain boundary layer of the discharge electrode member of the present invention amorphous, it is desirable that the Si ion concentration in the pure water is 1 to 10 ppm. By setting the Si ion concentration to 1 to 10 ppm, the grain boundary layer of the discharge electrode member of the present invention can be an amorphous grain boundary layer containing at least Si. Since this amorphous grain boundary layer has very high insulation and ozone resistance, a discharge electrode member having particularly excellent insulation resistance and ozone resistance can be obtained.
[0061]
Further, in the above production method, in order to reduce the porosity of the obtained sintered body to 5% or less, for example, the density of the molded body is 55% or more, desirably 65% or more with respect to the density of the fired body. do it.
[0068]
The amount of Na contained in the discharge electrode member of the present invention is Na ₂ In order to particularly improve the ozone resistance, it is desirable that it is 0.5% by weight or less in terms of O. The reason why ozone resistance is improved when Na is small is as follows. That is, when Na is more than 0.5% by weight, a compound containing Na is precipitated in the grain boundary layer, and this compound is easily corroded by ozone, so that the discharge electrode member is easily cracked or broken. Become. When Na is less than 0.5% by weight, a compound containing Na is less likely to precipitate in the grain boundary layer, and it is considered that ozone resistance can be improved. Particularly preferably Na is Na. ₂ It is preferably 0.1% by weight or less in terms of O.
[0069]
When the discharge electrode member of the present invention has a substrate shape, the thickness of the substrate-type electrode member is preferably 1 to 20 mm. This is because if the thickness of the substrate-type electrode member is less than 1 mm, the dielectric breakdown resistance is not significantly improved, and if it exceeds 20 mm, the effect of suppressing the progress of cracks during discharge is not significant.
[0070]
The ratio of the substrate thickness to the side length or diameter of the substrate is preferably in the range of 0.003 to 0.15. The reason is that when the ratio is less than 0.003, the dielectric breakdown property is not significantly improved, and the gas tightness is not significantly improved. On the other hand, if the ratio is larger than 0.15, the effect of suppressing the progress of cracks during discharge may not be sufficient. The side length or diameter is the length of one side in the case of a square, the length of a short side in the case of a rectangle, the diameter in the case of a circle, and the area of the substrate in the case of other shapes. Use the converted diameter.
[0071]
The substrate-shaped electrode member preferably has a circular arc shape (R) with a radius of curvature of 1 to 50 mm or a chamfered shape (C surface) with a side length of 1 to 50 mm. The reason is that by making the corner portion an R having a radius of curvature of 1 to 50 mm or a C surface having a radius of 1 to 50 mm, the concentration of discharge energy at the corner portion can be reduced during discharge and the insulation resistance can be significantly improved. Because it can. Desirably, the lower limit of the radius of curvature and the C surface is desirably 3 mm, and the upper limit is desirably 25 mm. The radius of curvature means the average radius of curvature of R.
[0072]
When an electrode is formed on the discharge electrode member of the present invention, a metal such as Pt, Ag-Pd, or Au is formed on the discharge electrode member by plating, baking, vapor deposition, sputtering, or the like. In the case of discharging, a pair of electrode members attached with metal electrodes is formed in this way, and a voltage may be applied in a state where a gas is flowed between the electrodes.
[0073]
The discharge electrode member of the present invention is particularly preferably used as a discharge electrode member for an ozone generator. The discharge electrode member of the present invention is suitably used when the discharge power value of the ozone generator is 1 kV or more.
[0074]
Next, the reason why the electrode member of the present invention is suitable for an ozone generator will be described with an example.
[0075]
The ozone generator of the present invention is an ozone generator in which a pair of electrodes are arranged to face each other, and the discharge electrode member is attached to at least one of the electrodes.
[0076]
FIG. 1 is a schematic view of an ozone generator by silent discharge using the discharge electrode member of the present invention. In FIG. 1, the high voltage electrode 10 and the ground electrode 11 are arranged side by side so that a discharge gap 12 is formed, and a discharge electrode member 13 for preventing arc discharge is interposed between the discharge gaps 12. By applying a high voltage of, for example, several tens of kV generated from the high-voltage AC power supply 14 between the discharge gaps 12, a silent discharge that is an aggregate of the microdischarge columns 15 is generated, Oxygen-containing gas 16 (air or the like) can be ionized to generate ozone 17.
[0077]
FIG. 2 is a schematic view of a streamer discharge type ozone generator using the discharge electrode member of the present invention. First, the high voltage electrode 28 is inserted into the gap portion 27 inside the discharge electrode member 26 of the present invention having a cylindrical shape. Further, in order to cool the discharge electrode member 26, the cooling water 20 exists around it. The cooling water 20 is in contact with the discharge electrode member 26 and also serves as a ground side electrode. An impulse power source 29 is connected between the high voltage electrode 28 and the cooling water 20.
[0078]
The source gas 21 (oxygen or air) is supplied to the gap 27, and a steep and short pulse voltage having a steep and short pulse width is applied from the impulse power source 29. As a result, a streamer discharge is formed in the discharge space 23 between the high voltage electrode 28 and the discharge electrode member 26 arranged to face each other via the discharge gap, and the source gas 21 is decomposed to generate ozone 22. Here, since the discharge electrode member of the present invention is used for the discharge electrode member 26, the concentration of the discharge current can be suppressed and the transition to the arc discharge can be prevented. Thereby, ozone 22 with high concentration can be generated.
[0079]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change does not interfere in the range which does not change the summary of this invention.
[0080]
【Example】
Example 1
The discharge electrode member of the present invention was produced as shown in the following (1b) to (5b).
[0081]
(1b) Using high-purity magnesium carbonate and titanium oxide powders as starting materials, magnesium carbonate and titanium oxide were weighed in a weight ratio of 51.351 to 48.649, pure water was added, and The mixture was obtained by wet mixing and grinding for 5 to 30 hours using a ball mill using zirconia balls or the like until the median diameter became 0.6 to 1.4 μm. This mixture was dried and calcined at 1000 ° C. for 5 hours. The calcined powder was pulverized with zirconia balls so that the median diameter became 0.5 μm, and pulverized powder A was obtained.
[0082]
(2b) The weight of calcium carbonate and titanium oxide is 55.615 vs. 44.385 using high purity calcium carbonate having an average particle size of 2 μm or less and titanium oxide powder having an average particle size of 2 μm or less as starting materials. After weighing in a ratio, pure water is added, and wet mixing and mixing are performed for 10 to 40 hours by a ball mill using zirconia balls or the like until the median diameter of the mixed raw material is 1.0 μm or less, preferably 0.3 to 0.8 μm. The mixture was obtained by grinding. This mixture was dried and calcined at 900 to 1100 ° C. for 1 to 10 hours to obtain calcined product B.
[0083]
(3b) The obtained pulverized powder A and calcined powder B are converted into MgTiO _Three And CaTiO _Three When converted to 100 parts by weight in total, MgTiO _Three Is mixed at a mixing ratio of 3 to 12% by weight, and SiO 2 ₂ , MnO ₂ , NiO, CeO ₂ And Cr ₂ O _Three At least one of them was added in a total of 1% by weight to the mixture of the pulverized powder A and the calcined powder B. Pure water was added thereto, and wet mixing and pulverization were performed for 5 to 40 hours with a ball mill using zirconia balls or the like until the median diameter became 0.3 to 0.5 μm. The Si ion concentration in pure water was 2 to 5 ppm.
[0084]
(4b) Further, 5% by weight of a binder was added, followed by dehydration, granulation by a spray drying method, and the resulting granulation was formed into a plate shape by a powder press method.
(5b) The obtained molded body was held at 1250 ° C to 1350 ° C in the atmosphere for 6 hours, and then heated to 700 ° C at an average temperature reduction rate of 30 ° C / hour and fired. The electrode member 30 for discharge of the invention was obtained.
[0085]
As a result of measuring this discharge electrode member by the X-ray diffraction method, as a crystal phase, JCPDS No. 6-0494 MgTiO _Three JCPDS No. 42-0423 and / or 22-0153 CaTiO _Three Was detected. In addition, after processing the discharge electrode member of the present invention using an ion thinning device manufactured by Technology Linda, using a transmission electron microscope JEM2010F manufactured by JEOL and an EDS analyzer Voyager IV manufactured by Noran Instruments, CaTiO4 was used. _Three , MgTiO _Three The presence of the crystal consisting of and the thickness of the grain boundary layer of the crystal were measured. As a result, in all samples, CaTiO _Three , MgTiO _Three As a result, it was found that the grain boundary layer had an average thickness of 5 nm or less.
[0086]
In addition, the thickness of the grain boundary layer was measured by randomly selecting 10 grain boundary layers. Moreover, the grain boundary layer was amorphous, and the abundance ratio of Ca, Zr, and Si was higher than that inside the crystal grains. 4 and 5 are schematic diagrams of crystal photographs of the discharge electrode member of the present invention. 4 in FIG. 4 is a CaTiO having a lamellar structure. _Three The crystal grain consisting of is shown. FIG. 5 is an enlarged view of the boundary between the crystal grain 41 and another crystal grain 42 in FIG. 4, 43 is a grain boundary layer, and the thickness is 0.5 nm.
[0087]
Further, the amount of Mg and the amount of Ca are measured by ICP emission spectroscopy, and the amount of Mg is measured by MgTiO. _Three Converted to quantity, Ca is CaTiO _Three MgTiO obtained in terms of quantity _Three Quantity and CaTiO _Three When the amount was converted to wt% so that the total amount would be 100 wt%, MgTiO was used in all samples. _Three The amount was confirmed to be 3-12% by weight.
[0088]
Further, the closed porosity of the discharge electrode member of the present invention was calculated from the true specific gravity obtained by the Beckman method and the apparent specific gravity obtained by the Archimedes method, and all were 3% or less.
[0089]
Moreover, it was 80-180 when the dielectric constant of the electrode member for discharge of this invention was measured at 1 MHz by the bridge method.
[0090]
Next, an anode for an ozone generator was produced as follows. One side of the obtained substrate-shaped discharge electrode member is masked with tape, and platinum is electroplated on the other surface to form an intermediate layer made of platinum with a film thickness of 3 μm, and then subjected to platinum base treatment. did. Next, 80 ° C, 1.5 A / dm ² The intermediate layer is electroplated under the current density condition to form a platinum-chromium plating layer on the intermediate platinum layer, and at a temperature of 550 ° C. in an oxygen 30% -nitrogen 70% atmosphere, a gas flow rate of 200 mL. Heat treatment was performed at / min.
[0091]
The ozone generator shown in FIG. 1 was produced using the anode thus obtained and the Pt electrode as the cathode. Dielectric substrate shape 500 × 500 × 5 mm, raw material gas pressure 0.253 MPa, discharge power density 5 W / cm ² The ozone generation test was conducted for 200 hours under operating conditions of a power frequency of 15 kHz and a discharge gap length of 0.1 mm. As a result, the generated ozone concentration is 200 to 300 g / m. ^Three It became. As a result of observing the dielectric substrate used as the electrode member after the ozone generation test, no cracks or cracks were observed. Further, arc discharge did not occur in the discharge plasma and was stable.
[0092]
As a comparative example, a dielectric substrate was produced by the method shown in the following (1c) to (5c). The average thickness of the grain boundary layer between the crystal phases of the dielectric substrate formed by this method was larger than 20 nm, and the porosity exceeded 5%. Using this dielectric substrate, after performing an ozone generation test for 200 hours in the same manner as in the example, the dielectric substrate was observed, and cracks and pinholes were observed in all the samples. It was confirmed that this crack was generated mainly from the grain boundary layer. In addition, arc discharge generated starting from this crack was observed.
[0093]
(1c) Using high purity magnesium carbonate and titanium oxide powders as starting materials, As in the example After weighing to a desired ratio, pure water was added, and wet mixing and pulverization were performed by a ball mill using zirconia balls or the like until the median diameter of the mixed raw material became 1.5 to 2.0 μm to obtain a mixture. . This mixture was dried and calcined at 1000 ° C. for 5 hours. The calcined powder was pulverized to a median diameter of 1.0 μm to obtain pulverized powder C.
[0094]
(2c) As starting materials, using high-purity calcium carbonate having an average particle diameter of 2 μm or less and titanium oxide powder having an average particle diameter of 2 μm or less, As in the example After weighing to a desired ratio, pure water was added, and wet mixing and pulverization were performed by a ball mill using zirconia balls or the like until the median diameter of the mixed raw material became 1.2 to 1.5 μm to obtain a mixture. . After drying this mixture, calcined at 900 to 1100 ° C. for 1 to 10 hours, and calcined product D was obtained.
[0095]
(3c) The obtained pulverized powder C and calcined powder D were mixed at a weight ratio of 20 to 80, and NiO was added at a weight ratio of 1 to the mixture of the pulverized powder C and calcined powder D. . Pure water was added thereto, and wet mixing and pulverization were performed by a ball mill using zirconia balls or the like until the median diameter became 0.8 to 1.0 μm.
[0096]
(4c) Further, 5% by weight of a binder was added, followed by dehydration, granulation by a spray drying method, and the resulting granulation was formed into a plate shape by a powder press method.
(5c) The obtained molded body was held at 1250 ° C. to 1350 ° C. in the atmosphere for 6 hours, and then heated to 700 ° C. at an average temperature decreasing rate of 200 ° C./hour and fired, and the discharge having a thickness of 2 to 8 mm shown in FIG. An electrode member was obtained.
[0099]
【The invention's effect】
The discharge electrode member of the present invention has CaTiO as a crystalline phase. _Three And MgTiO _Three By including a crystal composed of the above and having a grain boundary layer having a thickness of 20 nm or less, there is an effect that the insulation resistance and the discharge sputtering resistance are excellent. This discharge electrode member can be applied to an ozone generator or a laser oscillator that stably generates ozone for a long time. In particular, when the discharge electrode member of the present invention is used as an electrode member for ozone generation, a uniform plasma can be formed in the discharge space by the plasma discharge method, the discharge space utilization rate is improved, and stable discharge with little influence on accuracy is achieved. Thus, an ozone generator that can perform plasma processing efficiently can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an ozone generator using a discharge electrode member of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing another embodiment of an ozone generator using the discharge electrode member of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a discharge electrode member of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram of a crystal photograph of a discharge electrode member of the present invention.
5 is an enlarged view of a portion A in FIG.
[Explanation of symbols]
10: High voltage electrode
11: Ground electrode
12: Discharge gap
13: Electrode member for discharge
14: High-voltage AC power supply
15: Micro discharge column
16: Oxygen-containing gas
17: Ozone
20: Cooling water
21: Raw material gas
22: Ozone
23: Discharge space
26: Electrode member for discharge
27: Cavity
28: High voltage electrode
29: Impulse power supply
30: Substrate made of a discharge electrode member
41: Crystal particles having a lamellar structure
42: Crystal particles
43: Grain boundary layer

Claims

A discharge electrode member comprising a crystal composed of CaTiO3 and MgTiO3 as a crystal phase, and comprising a sintered body having a grain boundary layer thickness of 20 nm or less.

The electrode member for discharge according to claim 1, wherein the porosity is 5% or less.

The discharge electrode member according to claim 1, wherein the grain boundary layer is amorphous.

The discharge electrode member according to any one of claims 1 to 3, wherein Mg is contained in an amount of 1 to 15 wt% in terms of MgO.

5. The total content is 5 wt% or less in terms of SiO 2, MnO 2, NiO, CeO 2, and Cr 2 O 3, respectively, among at least one of Si, Mn, Ni, Ce, and Cr. Electrode member for discharge.

An ozone generator in which a pair of electrodes are arranged to face each other, wherein the discharge electrode member according to any one of claims 1 to 5 is attached to at least one of the electrodes. .