JP5304354B2 - エキシマランプ - Google Patents

Description

この発明は、クリプトンガス、ヨウ素ガスおよびキセノンガスを含む放電ガスを放電媒体として使用することにより３００〜３８０ｎｍの波長域の紫外光を効率良く放射するエキシマランプに関する。

液晶ディスプレイの製造工程においては、液晶の画素を構成する際に液晶にモノマーを混入させ、液晶分子を傾斜させた状態でモノマーを重合させることによって液晶分子の傾斜方向を固定させる技術（ＰＳＡ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｕｓｔａｉｎｅｄ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）が用いられている。ＰＳＡについて開示する特許文献１によれば、モノマーを重合させるための光源として、液晶に与えるダメージが少ないこと、モノマーの感度、液晶用ガラスの透過率等を考慮して、モノマーに対して例えば波長３００−３８０ｎｍの紫外光を照射することが好ましいとされている（特許文献１の段落０２３７）。

モノマーを重合させるために必要とされる波長３００−３８０ｎｍの紫外光を放射する紫外線光源としては種々のものが知られているが、現状ではＰＳＡ用途に最適な光源については検討が重ねられている段階である。例えば、水銀を放電媒体として波長３６５ｎｍの紫外光を主として放射する水銀ランプ、金属ハロゲン化物を放電媒体とするメタルハライドランプ等がＰＳＡ用途の光源の候補とされている。

しかしながら、水銀ランプは、複数の水銀ランプを搭載して紫外線照射装置を構成しようとした場合に紫外線照射装置が大型化するといった問題があり、また、水銀を放電媒体とするために環境への負荷が大きいといったデメリットがある。メタルハライドランプは投入電力に比して放射される紫外線の出力が低いというエネルギー効率の面で問題があり、また、ハロゲン化金属を放電媒体とするために環境への悪影響を無視できない。

エキシマランプは、複数のエキシマランプを搭載して紫外線照射装置を構成しようとした場合に紫外線照射装置を比較的小型化することができると共に、投入電力に比して放射される紫外線の出力が高いためにエネルギー効率に優れ、しかも、キセノンガス、クリプトンガス等の希ガスを放電媒体として使用するので環境への負荷が小さい、という実用的な面でメリットが大きいため、ＰＳＡ用の光源として有望視されている。

エキシマランプは、従来より主として液晶基板等の被処理物の表面に対して真空紫外線を照射することによって被処理物の表面改質をするための光源として使用されているが、ＰＳＡ用途においてモノマーを重合させるために必要とされる波長３００−３８０ｎｍの波長域の紫外光の出力が不十分であった。

特開２００３−１４９６４７号

以上から本発明は、ＰＳＡ用途に最適な光源を提供するために、モノマーを重合させるために必要となる波長３００−３８０ｎｍの波長域の紫外光を効率良く放射するエキシマランプを提供することを目的とする。

請求項１記載のエキシマランプは、クリプトンガス、ヨウ素ガスおよびキセノンガスを含む放電ガスが封入された放電容器と、前記放電容器の内部に形成された放電空間を挟んで対向するように配置された一対の電極とを備え、キセノンガスの分圧を、クリプトンガスの分圧、ヨウ素ガスの分圧およびキセノンガスの分圧の合計で割ることによって得られる前記キセノンガスの濃度が０．０５〜２．０％である、というものである。

請求項２記載のエキシマランプは、請求項１記載のエキシマランプにおいて前記キセノンガスの濃度が０．２〜２．０％である、というものである。

請求項３記載のエキシマランプは、請求項１記載のエキシマランプにおいて前記放電ガスの全圧が４０〜１３３ｋＰａである、というものである。

請求項１の発明のエキシマランプによれば、クリプトンガス、ヨウ素ガスおよびキセノンガスを含む放電ガスを放電媒体として封入し、キセノンガスの分圧を、クリプトンガスの分圧、ヨウ素ガスの分圧およびキセノンガスの分圧の合計で割ることによって得られるキセノンガスの濃度が０．０５〜２．０％ に規定されているため、ＰＳＡ用途においてモノマーを重合させるために必要とされる３ ００〜３８０ｎｍの波長域の紫外光の出力を向上させることができる。

請求項２の発明のエキシマランプによれば、請求項１のエキシマランプにおいて、前記キセノンガスの濃度が０．２〜２．０％に規定されているため、ＰＳＡ用途においてモノマーを重合させるために必要とされる３００〜３８０ｎｍの波長域の紫外光の出力を更に向上させることができる。

請求項３の発明のエキシマランプによれば、請求項１記載のエキシマランプにおいて、放電ガスの全圧が４０〜１３３ｋＰａとされているため、ＰＳＡ用途においてモノマーを重合させるために必要とされる３００〜３８０ｎｍの波長域の紫外光の出力を向上させることができる。

本発明のエキシマランプの構成の概略を示す管軸方向の断面図である。 図１に示すＡ−Ａ線断面図である。 実験１の結果を示すグラフである。 実験２の結果を示すグラフである。 実験３の結果を示すグラフである。

図１は、本発明のエキシマランプの構成の概略を示す斜視図である。図２は図１に示すＡ−Ａ線断面図である。エキシマランプ１０は、例えば石英ガラスなどの誘電体材料によって図２に示すように断面が方形状となるように構成された放電容器１を備える。放電容器１の内部には、クリプトンガス、ヨウ素ガスおよびキセノンガスを主として含む放電ガスが封入されている。

放電容器１は、放電容器の長手方向の両端近傍の内部に封止部材２を配置して放電容器１と封止部材２とを溶着することによって、放電ガスが外部に漏れ出ることのないように気密に封止される。また、放電容器１の上下の壁面３、４のそれぞれの外表面には、メッシュ状の一対の電極５、６が、放電容器１の内部に形成された放電空間Ｓおよび放電容器１を構成する誘電体材料を挟んで対向するように設けられている。電極５、６は、所定のメッシュ状パターンが形成されるように例えば蒸着などによって形成されている。

さらに、放電容器１の内部には、例えばＳｉＯ_２を主成分として含む紫外線反射膜７が光出射方向側の壁面３と反対側の壁面４に形成されており、放電空間Ｓ内で発生した紫外線が紫外線反射膜７によって光出射方向に反射されて光出射方向側に位置する壁面３から出射するようになっている。

このような構成のエキシマランプは、一対の電極５、６間に例えば１〜１２０ｋＨｚの正弦波の高周波を供給することにより、放電空間Ｓに面する内壁面に無数のひげのような無声放電が発生して、このような無声放電によってあたかも放電空間Ｓの全体が均等に放電しているかのような状態となる。

このような放電により、放電容器に封入されたヨウ素Ｉの正イオンＩ^＋および陰イオンＩ⁻は下記［化１］で示すように、放電ガスに含まれるヨウ素以外のクリプトンの原子又は分子Ｍと反応することによってヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊を形成すると共に、ヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊は下記［化２］で示すように、電離する反応を繰り返す。

［化１］
Ｉ^＋ ＋ Ｉ⁻ ＋ Ｍ → Ｉ_２ ^＊ ＋ Ｍ

［化２］
Ｉ_２ ^＊ → Ｉ^＋ ＋ Ｉ⁻

上記の［化１］で示すようにして放電空間に形成されたヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊は、ピーク波長が３４２ｎｍのヨウ素分子発光を放射する。ヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊を形成する基になるヨウ素イオンＩ^＋およびＩ⁻は、準安定励起原子のエネルギーによりヨウ素が電離されるぺニング効果と呼ばれる反応が発生することによって生成する。

このぺニング効果は、クリプトンの準安定励起原子のエネルギーがヨウ素原子の電離エネルギーよりもわずかに高いことによって発生する。参考までに、準安定励起原子のエネルギーは、クリプトンが９．９〜１０．５ｅＶであり、ヨウ素原子の電離エネルギーは１０．４ｅＶである。したがって、クリプトンガスとヨウ素ガスとを含む放電ガスを放電容器に封入すれば、放電空間においてヨウ素イオンＩ^＋およびＩ⁻がより多く生成され、多数のヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊が形成される。

また、放電容器に封入されたキセノンＸｅとヨウ素Ｉは、下記［化３］で示すように会合することによりキセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊を形成すると共に、キセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊は下記［化４］で示すように分離する反応を繰り返す。

［化３］
２Ｘｅ ＋ Ｉ_２ → ２ＸｅＩ^＊

［化４］
２ＸｅＩ^＊ → ２Ｘｅ ＋ Ｉ_２

上記の［化３］で示すようにして形成されたキセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊は、ピーク波長が３２０ｎｍ付近にある紫外光を放射する。

すなわち、放電空間Ｓには、ヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊から放射されるピーク波長が３４２ｎｍ付近にある紫外光、キセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊から放射されるピーク波長が３２０ｎｍ付近にある紫外光が同時に発せられる。

なお、上記したようなヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊、キセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊を形成するためには、１〜１２０ｋＨｚの正弦波の高周波をエキシマランプに印加してパルス的な電流にて点灯駆動させることが好ましい。正弦波の周波数が高すぎると、エキシマ放電が形成されないいわゆる休止期間が短くなることにより、ヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊およびキセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊を形成する時間的な余裕がなくなって、ピーク波長がそれぞれ３４２ｎｍ、３２０ｎｍ付近にある紫外光の発光強度が低下すると考えられる。一方、正弦波の周波数が低すぎると、単位時間当たりの発光回数が少なくなるので、ピーク波長がそれぞれ３４２ｎｍ、３２０ｎｍ付近にある紫外光の発光強度が低下すると考えられる。

ヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊は、ヨウ素イオンＩ^＋、Ｉ⁻に衝突するクリプトンＫｒの原子又は分子が多いほど形成され易い。キセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊は、放電ガスに含まれるヨウ素Ｉ、キセノンＸｅの原子又は分子が多いと形成され易い。したがって、エキシマランプに封入される放電ガスの全圧を高くした場合は、ヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊およびキセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊が形成され易くなって、ピーク波長が３２０ｎｍ付近および３４２ｎｍ付近である紫外光の発光強度が向上する。具体的には、放電ガスの全圧を４０〜１３０ｋＰａとすることが好ましい。

ここで、本発明のエキシマランプにおいては、キセノンＸｅの濃度が０．０５〜２．０％に規定されている。キセノンＸｅの濃度は、放電ガスの全圧に対するキセノンガスの分圧で示される。すなわち、キセノンガスの濃度は、キセノンガスの分圧を、クリプトンガスの分圧、ヨウ素ガスの分圧およびキセノンガスの分圧の合計で割ることによって得られる。

このため、ヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊から放射されるピーク波長が３４２ｎｍ付近にある紫外光の出力を低下させることなく、キセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊から放射されるピーク波長が３２０ｎｍ付近にある紫外光の出力を高めることができる。したがって、ＰＳＡ用途において必要とされる３００−３８０ｎｍの波長域の紫外光の出力が向上するため、モノマーを重合させるために必要となる光エネルギーを十分に供給することができる。

以下、本発明のエキシマランプに封入した放電ガスに含まれるキセノンガスの濃度を定めるために行った実験１ないし３について説明する。実験１ないし３では、それぞれ、以下の実施例１ないし３に示す仕様に従って作製した、図１および２に示す構成のエキシマランプを使用した。

実験１は、キセノンガスの濃度が互いに異なるよう以下の仕様で作製された複数のエキシマランプを使用した。
・放電容器は、断面が方形状の角筒形状を備え、全長２００ｍｍ、幅３２ｍｍ、高さ１４ｍｍ、放電ギャップ１０ｍｍ、ガラスの厚み２ｍｍである。
・電極は、金をスクリーン印刷することにより形成され、全長１３０ｍｍ、幅３２ｍｍ、厚み５μｍである。
・放電ガスは、クリプトンガス、ヨウ素ガスおよびキセノンガスを含み全圧が１２０ｋＰａである。
・ヨウ素ガスの濃度は０．１１％で共通する。
・キセノンガスの濃度は０〜５％の範囲で互いに異なる。
・点灯周波数は７０ｋＨｚである。

（実験１）
実験１は、実施例１に係る各エキシマランプをそれぞれ点灯させ、各エキシマランプについて３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の発光スペクトルの形状の変化を調べた。

図３は、放電ガスに含まれるキセノンＸｅの濃度を０〜５％の範囲で様々に変えたときのエキシマランプの発光スペクトルを示す。図３では、縦軸がＸｅ濃度１％である場合の波長３４２ｎｍの紫外光の発光強度を１としたときの発光強度の規格値であり、横軸が波長（ｎｍ）である。

図３に示すように、キセノンＸｅが放電ガスに含まれていない場合（Ｘｅ：０％）は、キセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊から放射されるピーク波長が３２０ｎｍ付近にある紫外光の発光強度が低く、一方、キセノンＸｅが放電ガスに過剰に含まれる場合（Ｘｅ：５％）は、ヨウ素のエキシマーＩ_２ ^＊から放射されるピーク波長が３４２ｎｍ付近の紫外光の発光強度が低下した。

これに対し、図３に示すように、キセノンＸｅの濃度が０．０５〜２．０％である場合は、ヨウ素エキシマーＩ_２ ^＊から放射されるピーク波長が３４２ｎｍ付近の紫外光の発光強度が高いものでありながら、キセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊から放射されるピーク波長が３２０ｎｍ付近にある紫外光の発光強度を高めることができる。

特に、キセノンＸｅの濃度が０．２〜２．０％である場合は、キセノンＸｅとヨウ素Ｉの化合物のエキシマーＸｅＩ^＊、ヨウ素エキシマーＩ_２ ^＊からそれぞれ放射される、ピーク波長が３２０ｎｍ、３４２ｎｍ付近にある紫外光の発光強度を高めることができる。

実験２は、放電ガスに含まれるヨウ素ガスの各濃度毎に、キセノンガスの濃度が互いに異なるよう以下の仕様で作製された複数のエキシマランプを使用した。
・放電容器は、断面が方形状の角筒形状を備え、全長１２５ｍｍ、幅３２ｍｍ、高さ１４ｍｍ、放電ギャップ１０ｍｍ、ガラスの厚み２ｍｍである。
・電極は、金をスクリーン印刷することにより形成され、全長１３０ｍｍ、幅３２ｍｍ、厚み５μｍである。
・放電ガスは、クリプトンガス、ヨウ素ガスおよびキセノンガスを含み全圧が１２０ｋＰａである。
・ヨウ素ガスの濃度は、それぞれ０．０４％、０．１１％、０．９１％である。
・キセノンガスの濃度は、０．０５〜５％の範囲で互いに異なる。
・点灯周波数は７０ｋＨｚである。

（実験２）
実験２は、各エキシマランプを点灯駆動させて３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度を測定した。実験２では、ヨウ素の濃度がキセノンＸｅの最適濃度に与える影響を調べた。

図４は、ヨウ素の各濃度毎に、放電ガスに含まれるキセノンＸｅの濃度を０．０５〜５％の範囲で様々に変えたときの３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度を示す。図４では、縦軸がＩ_２濃度０．１１％かつＸｅ濃度１％である場合の波長３４２ｎｍの紫外光の発光強度を１としたときの規格値であり、横軸がキセノンＸｅの濃度である。縦軸の積算照度は、キセノンＸｅの濃度が１％である場合の３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度を１としたときの規格値である。

図４に示すように、ヨウ素Ｉの濃度に係らず、放電ガスに含まれるキセノンＸｅの濃度が５．０％である場合は３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度が低く、これに対し、放電ガスに含まれるキセノンＸｅの濃度が０．０５〜２％の場合は３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度が高いことが確認された。

さらに、図４に示す結果より、放電ガスに含まれるキセノンＸｅの濃度が０．２〜２％
である場合は、ヨウ素Ｉの濃度に係らず、３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度が特に高いことが確認された。

実験３は、放電ガスの各全圧毎に、キセノンガスの濃度が互いに異なるよう以下の仕様で作製された複数のエキシマランプを使用した。
・放電容器は、断面が方形状の角筒形状を備え、全長１２５ｍｍ、幅３２ｍｍ、高さ１４ｍｍ、放電ギャップ１０ｍｍ、ガラスの厚み２ｍｍである。
・電極は、金をスクリーン印刷することにより形成され、全長１３０ｍｍ、幅３２ｍｍ、厚み５μｍである。
・放電ガスは、クリプトンガス、ヨウ素ガスおよびキセノンガスを含み、全圧が９３、１２０ｋＰａである。
・ヨウ素ガスの濃度は０．１１％で共通する。
・キセノンガスの濃度は、０．０１〜５％の範囲で互いに異なる。
・点灯周波数は７０ｋＨｚである。

（実験３）
実験３は、各エキシマランプを点灯させて３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度を測定した。実験３では、放電ガスの全圧がキセノンＸｅの最適濃度に与える影響を調べた。

図５は、放電ガスの各全圧毎に、放電ガスに含まれるキセノンＸｅの濃度を０．０５〜５％の範囲で様々に変えたときの３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度を示す。図５では、縦軸が全圧１２０ｋＰａ、Ｘｅ濃度１％である場合の３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度を１としたときの規格値であり、横軸がキセノンの濃度である。

図５に示すように、放電ガスの全圧に係らず、放電ガスに含まれるキセノンＸｅの濃度が０．０１％および５％の場合は３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度が低く、これに対し、放電ガスに含まれるキセノンＸｅの濃度が０．０５〜２％である場合は、３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度が高いことが確認された。

さらに、図５に示す結果より、放電ガスに含まれるキセノンＸｅの濃度が０．２〜２％
である場合は、放電ガスの全圧に係らず、３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の積算照度が特に高いことが確認された。

以上の実験の結果から、本発明のエキシマランプにおいては、放電ガスに含まれるキセノンＸｅの濃度を０．０５〜２％の範囲内、特に好ましくは０．２〜２％の範囲内に規定することによって、ヨウ素Ｉの濃度および放電ガスの全圧に係らず、３００−３５０ｎｍの波長域の紫外光の発光強度を高めることができることが確認された。

１０ エキシマランプ
１ 放電容器
２ 封止部材
３、４ 壁面
５、６ 電極
７ 紫外線反射膜

Claims (3)

1. クリプトンガス、ヨウ素ガスおよびキセノンガスを含む放電ガスが封入された放電容器と、前記放電容器の内部に形成された放電空間を挟んで対向するように配置された一対の電極とを備えるエキシマランプであって、
   キセノンガスの分圧を、クリプトンガスの分圧、ヨウ素ガスの分圧およびキセノンガスの分圧の合計で割ることによって得られる前記キセノンガスの濃度が０．０５〜２．０％であることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記キセノンガスの濃度が０．２〜２．０％であることを特徴とする請求項１記載のエキシマランプ。
3. 前記放電ガスの全圧が４０〜１３３ｋＰａであることを特徴とする請求項１記載のエキシマランプ。

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