KR100712944B1 - 알루미나 관 - Google Patents

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KR100712944B1
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Abstract

본 발명은 절연 파괴의 발생이나 충전 가스의 오염을 방지하고, 균일한 이온화를 실현하는 것을 목적으로 한다.
엑시머 레이저(10)는 순도가 99.9 중량% 이상, 밀도가 3.99 g/㎤ 이상, 개기공률이 0.3% 미만, 절연 내압이 15 kV/mm 이상이며, 중공부(1b)를 갖는 알루미나 관(1)과, 알루미나 관(1)의 중공부(1b)에 배치되어 있는 코로나 방전용 내측 전극(2a)과, 알루미나 관(1)의 외주면에 접하여 배치되어 있는 코로나 방전용 외측 전극(2b)을 구비한다.

Description

알루미나 관{ALUMINA TUBE}
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 엑시머 레이저의 구성을 도시한 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 알루미나 관
1a : 트랙킹 방지홈
1b : 중공부
2a : 내측 전극
2b : 외측 전극
3 : 상부 주전극
4 : 하부 주전극
5 : 챔버
6 : 펄스 전원
10 : 엑시머 레이저
10a : 코로나 방전 처리부
본 발명은 알루미나 관에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 코로나 방전 장치에 이용되는 알루미나 관에 관한 것이다.
종래, 희가스나 희가스와 할로겐 가스와의 혼합 가스 등의 충전 가스 원자를 여기(勵起)시켜 엑시머 분자를 생성하고, 레이저 발진을 행하는 엑시머 레이저가 있다. 엑시머 레이저에서는, 여기를 보조하기 위해 예비 전리가 행해지고 있다.
예비 전리에는, 예컨대 스파크 핀 전극을 나열하고, 원자외(遠紫外) 영역의 광자를 발생시켜 예비 전리를 행하는 방식(이하 「스파크 예비 전리」라고 함)이 있다. 그러나, 스파크 예비 전리는 균일하게 이온화를 행하여 시간적, 공간적으로 균일한 전자 밀도를 달성하는 것이 어려우며, 높은 방전 전류가 스파크 핀 전극을 통과하기 때문에, 스파크핀 전극이 침식되고 충전 가스가 오염되기 때문에 충전 가스 교환이 필요해진다는 과제가 있었다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 코로나 방전에 의해 예비 전리를 행하는 방식(이하 「코로나 예비 전리」라고 함)이 개발되었다. 코로나 예비 전리에서는, 코로나 방전용 전극을 유전 재료로 이루어지는 관의 내측과 외측에 배치하고, 유전 재료를 매개로 하여 방전을 행한다(예컨대 특허 문헌 1 참조). 유전 재료로서는, 예컨대 알루미나가 이용되고 있다(예컨대, 특허 문헌 2 참조).
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 소화 제63-227074호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 평성 제10-56220호 공보
그러나, 유전 재료로서 상용 알루미나(순도 99.8% 이하)를 이용한 경우에도 절연 내압이나 내식성이 충분하지 않았다. 그 때문에, 신속, 고출력 레이저 발진을 위해 높은 전압을 전극에 인가하는 것이 어려웠다. 또, 엑시머 레이저 등에 충전되는 충전 가스를 오염시키는 경우가 있었다. 또한, 스파크 예비 전리에 비하면, 균일한 이온화가 실현되지만, 충분한 균일성을 얻을 수는 없었다.
여기서, 본 발명은 절연 파괴의 발생이나 충전 가스의 오염을 방지할 수 있고, 균일한 이온화가 가능하며, 종래 재료에 비해 향상된 내성과 강도를 지닌 알루미나 관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 알루미나 관은 순도가 99.9 중량% 이상, 밀도가 3.99 g/㎤ 이상, 개기공률이 0.3% 미만, 절연 내압(JIS C2110)이 15 kV/mm 이상이며, 코로나 방전용 내측 전극이 배치되는 중공부를 갖는 것을 특징으로 한다.
이러한 알루미나 관은 불순물이나 개기공이 매우 적고, 고밀도이기 때문에, 절연 파괴의 기점이 적고, 균일한 유전체로 이루어져 있으며, 아킹(이상 방전)도 발생하기 어렵다. 따라서, 알루미나 관은 높은 절연 내압을 가질 수 있으며, 중공부에 배치되는 코로나 방전용 내측 전극과, 알루미나 관의 외주면에 접하여 배치되는 코로나 방전용 외측 전극에 고전압을 인가하여도 절연 파괴가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 게다가, 이러한 알루미나 관을 이용함으로써, 균일한 이온화를 행할 수 있다.
또한, 알루미나 관은 고순도이며, 입계상에 함유되는 불순물이 매우 적기 때문에 높은 내식성을 실현할 수 있다. 또, 충전 가스를 오염시키는 미립자원을 유 지하기 쉬우며, 엣지 부분이 절삭되어 미립자를 발생시키기 쉬운 개기공의 개수도 매우 적다. 따라서, 이러한 알루미나 관에 의하면 충전 가스의 오염도 방지할 수 있다.
또한, 알루미나 관은 실온에 있어서의 고유 체적 저항치(JIS C2141)가 4.0×1016 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 또, 알루미나 관은 유전률이 10.7 이상인 것이 바람직하다. 알루미나 관은 높은 저항이나 높은 유전률을 지님으로써, 절연 내압을 높일 수 있고, 고전압을 인가하여도 절연 파괴가 발생하는 것을 보다 한층 방지할 수 있다. 또한, 보다 높은 전압의 인가가 가능해지는 결과, 알루미나 관은 이온화 속도를 증가시킬 수 있으며, 고속 이온화를 실현할 수 있다.
또, 알루미나 관은 평균 입자 직경이 3∼10 ㎛인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 알루미나 관은 높은 강도를 가질 수 있다. 게다가, 부식성 가스에 의해 부식되기 쉬운 입계상을 감소시킬 수 있기 때문에, 알루미나 관은 보다 높은 내식성을 가질 수 있다.
또한, 알루미나 관은 4점 굽힘 강도(JIS R1601)가 500 MPa 이상인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 긴 형상인 알루미나 관이라도 높은 강도를 가질 수 있고, 파손을 방지할 수 있다.
도 1에 도시하는 엑시머 레이저(10)는, 예비 전리로서 코로나 방전을 행하는 코로나 방전 장치의 하나이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 엑시머 레이저(10)는 코로나 방전 처리부(10a)와, 상부 주전극(3)과, 하부 주전극(4)과, 챔버(5)와, 펄 스 전원(6)을 구비한다. 코로나 방전 처리부(10a)는 알루미나 관(1)과, 내측 전극(2a)과, 외측 전극(2b)를 구비한다. 이와 같이 코로나 방전 처리부(10a)를 구비하고, 코로나 방전을 행하는 모든 장치가 코로나 방전 장치에 포함된다.
챔버(5)에는 코로나 방전 처리부(10a)와, 한 쌍의 상부 주전극(3)과 하부 주전극(4)이 수용된다. 챔버(5) 내에는 불소(F2)나 염소(Cl2) 등의 할로겐 가스 혹은 크립톤(Kr), 아르곤(Ar), 크세논(Xe) 등의 희가스와 할로겐 가스와의 혼합 가스 등이 충전 가스로서 충전되어 있다. 상부 주전극(3) 및 하부 주전극(4)은 챔버(5) 내의 상측과 하측에 대향하여 설치된다. 상부 주전극(3) 및 하부 주전극(4)은 펄스 전원(6)과 접속되어 있다. 도 1에서는, 상부 주전극(3)이 애노드가 되고, 하부 주전극(4)이 캐소드가 된다. 상부 주전극(3)과 하부 주전극(4)에는 펄스 전원(6)으로부터 펄스 전압이 인가됨으로써, 충전 가스 원자를 여기시켜 Kr2 *, Ar2 *, KrF* ArF*, XeCl* 등의 엑시머 분자를 생성하고, 레이저 발진을 행한다.
이러한 레이저 발진을 보조하기 위해, 엑시머 레이저(10)에서는 코로나 방전 처리부(10a)가 코로나 방전을 행하여 예비 전리를 행한다. 코로나 방전용 전극에는 알루미나 관(1) 내측에 배치되는 내측 전극(2a)과, 알루미나 관(1) 외주면에 접하여 배치되는 외측 전극(2b)이 있다. 알루미나 관(1)은 코로나 방전용 내측 전극(2a)이 배치되는 중공부(1b)를 갖는다. 그리고, 중공부(1b)에 내측 전극(2a)이 삽입 배치되어 있다. 내측 전극(2a) 및 외측 전극(2b)은 펄스 전원(6)에 접속되어 있다. 내측 전극(2a) 및 외측 전극(2b)에 펄스 전압이 인가됨으로써, 내측 전극(2a) 및 외측 전극(2b)이 알루미나 관(1)을 통해 코로나 방전을 행한다.
알루미나 관(1)은 순도가 99.9 중량% 이상, 밀도가 3.99 g/㎤ 이상, 개기공률이 0.3% 미만, 절연 내압(JIS C2110)이 15 kV/mm 이상인 알루미나 소결체로 구성되어 있다. 이와 같이 알루미나 관(1)은 불순물이나 개기공이 매우 적고, 고밀도이기 때문에 절연 파괴의 기점이 적고, 균일한 유전체로 이루어져 있으며, 아킹의 발생 기점이 되는 개기공이 적기 때문에 아킹(이상 방전)도 발생하기 어렵다. 따라서, 알루미나 관(1)은 높은 절연 내압을 가질 수 있고, 중공부(1b)에 배치된 내측 전극(2a)과, 알루미나 관(1)에 접하여 배치된 외측 전극(2b)에 고전압을 인가하여도 절연 파괴가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그 때문에, 예컨대 코로나 방전 처리부(10a)를 엑시머 레이저(10)의 예비 전리에 이용한 경우, 내측 전극(2a) 및 외측 전극(2b)에 고전압을 인가할 수 있다. 따라서, 이온화 속도를 증가시킬 수 있고, 고속 이온화를 실현할 수 있으며, 엑시머 레이저(10)는 신속, 고출력 레이저 발진을 실현할 수 있다. 게다가, 이러한 알루미나 관(1)을 이용함으로써, 균일한 이온화를 행할 수 있다. 특히, 챔버(5) 내의 초기 전자 밀도를 매우 균일하게 할 수 있다.
또한, 알루미나 관(1)은 고순도이며, 입계상에 함유되는 불순물이 매우 적기 때문에 높은 내식성을 실현할 수 있다. 또, 충전 가스를 오염시키는 미립자원을 유지하기 쉽고, 엣지 부분이 절삭되어 미립자를 발생시키기 쉬운 개기공의 개수도 매우 적다. 따라서, 이러한 알루미나 관(1)에 의하면 충전 가스의 오염도 방지할 수 있다.
알루미나 관(1)의 순도는 99.95 중량% 이상인 것이 바람직하다. 알루미나 관(1)에 함유되는 불순물 원소는 500 ppm 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 알루미나 관(1)의 개기공률은 0.1% 이하인 것이 바람직하다. 또, 알루미나 관(1)의 절연 내압은 18 kV/mm 이상인 것이 바람직하다.
또한, 알루미나 관(1)은 실온에 있어서의 고유 체적 저항치(JIS C2141)가 4.0×1016 Ω·cm 이상인 것이 바람직하다. 또, 알루미나 관(1)은 유전률이 10.7 이상인 것이 바람직하다. 이와 같이 알루미나 관(1)은 높은 저항치나 높은 유전률을 지님으로써, 절연 내압을 높일 수 있고, 고전압을 인가하여도 절연 파괴가 발생하는 것을 보다 한층 방지할 수 있다. 또한, 보다 높은 전압의 인가가 가능해지는 결과, 알루미나 관(1)은 이온화 속도를 증가시킬 수 있으며, 고속 이온화를 실현할 수 있다. 따라서, 예컨대, 코로나 방전 처리부(10a)를 엑시머 레이저(10)의 예비 전리에 이용한 경우, 신속한 예비 전리를 실현할 수 있으며, 엑시머 레이저(10)는 신속, 고출력 레이저 발진을 실현할 수 있다.
또, 알루미나 관(1)은 평균 입자 직경이 3∼10 ㎛인 알루미나 소결체인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 알루미나 관(1)은 높은 강도를 지닐 수 있다. 게다가, 부식성 가스에 의해 부식되기 쉬운 입계상을 감소시킬 수 있기 때문에 알루미나 관(1)은 보다 높은 내식성을 지닐 수 있다.
또한, 알루미나 관(1)은 실온에 있어서의 4점 굽힘 강도(JIS R1601)가 500 MPa 이상인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 긴 형상인 알루미나 관(1)이어도 높은 강도를 지닐 수 있고, 취급하기 쉬우며, 수송 시간 등에 있어서의 파손을 방지할 수 있다.
또, 알루미나 관(1)의 두께는 균일한 것이 바람직하고, 그 변동이 30% 이하인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 알루미나 관(1)은 보다 균일한 이온화를 실현할 수 있고, 아킹의 발생을 보다 한층 방지할 수 있다.
알루미나 관(1)은 양단의 측면에 트랙킹을 방지하기 위한 트랙킹 방지홈(1a)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 알루미나 관(1)은 일단 또는 양단의 측면에, 알루미나 관(1)이 회전되는 것을 방지하기 위한 홈(이하 「회전 방지홈」이라고 함)을 가져도 좋다.
이러한 알루미나 관(1)은, 예컨대 이하와 같이 제조할 수 있다. 우선, 알루미나(Al2O3) 분말과 소결조제를 함유하는 원료 분말에 바인더, 물, 분산제 등을 첨가하여 혼합하고, 슬러리를 제작한다. 알루미나 분말은 순도가 99.9 중량% 이상의 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이것에 의하면 고순도, 고강도의 알루미나 관(1)을 얻을 수 있다. 알루미나 분말은 순도가 99.99 중량% 이상의 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다.
또, 알루미나 분말은 비표면적이 3∼10 ㎡/g인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 소결을 적절히 진행시켜 고강도, 고밀도의 알루미나 관(1)을 얻을 수 있다. 또한, 알루미나 분말은 평균 입자 직경이 8 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 고강도 알루미나 관(1)을 얻을 수 있다. 보다 바람직한 평균 입자 직경은 3∼7 ㎛이다.
이러한 알루미나 분말은, 예컨대 질산 알루미늄 암모늄을 열분해하여 얻을 수 있다. 예컨대 질산 알루미늄 암모늄염의 결정을, 고순도 알루미나제의 케이스에 충전하고, 전기로로 열분해시킨 후, 1100∼1300℃로 승온하여 30분∼5시간 유지함으로써 알루미나 분말을 얻을 수 있다.
또, 소결조제로서는, 예컨대 마그네슘(Mg0) 등을 이용할 수 있다. 원료 분말에 함유되는 소결조제는, 0.1 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 균일한 결정 입자로 구성되는 고밀도 알루미나 관(1)을 얻을 수 있다. 보다 바람직한 소결조제량은 0.05∼0.08 중량%이다. 이로 인해, 알루미나 관의 입자 크기가 보다 균일해지고, 그 결과 인성과 강도가 보다 높아진다. 게다가, MgO를 첨가함으로써 알루미나 관의 내식성이 향상되는데, 그 이유는 알루미나 관에 유입되는 마그네시아와 불소 함유 가스의 반응에 의해 생성되는 불화 마그네슘의 승화점이 알루미나와 불소 함유 가스의 반응에 의해 생성되는 불화 알루미늄의 승화점보다 훨씬 높기 때문이다. 또한, 알루미나 관에 마그네시아를 첨가함으로써 저항률이 매우 높다.
얻어진 슬러리를 분무 조립법 등에 의해 조립하여 조립 과립을 얻는다. 얻어진 조립 과립을 압출 성형법, 금형 성형법, CIP(Cold Isostatic Pressing) 등의 성형 방법에 의해 관 형상으로 성형한다. 얻어진 관 형상의 성형체를 탈지하고, 수소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성 가스 분위기 중에서 상압 소결법 등의 소결 방법에 의해 550∼1700℃에서 소결한다. 보다 바람직한 소결 온도는 1600∼1650℃이다. 또, 소결 온도까지는 승온 속도 100∼800℃/시간으로 승온하는 것이 바람직하다.
얻어진 관 형상의 알루미나 소결체의 양단 측면을 가공하여, 트랙킹 방지홈(1a)을 형성한다. 또한, 필요에 따라서 알루미나 소결체의 일단 또는 양단의 측면을 가공하여 회전 방지홈을 가공에 의해 형성하여도 좋다. 이와 같이 하여, 알루미나 소결체로 구성되고, 코로나 방전용 전극인 내측 전극(2a)이 배치되는 중공부를 갖는 알루미나 관(1)을 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 코로나 방전 처리부(10a)를 구비하는 엑시머 레이저(10)는 순도가 99.9 중량% 이상, 밀도가 3.99 g/㎤ 이상, 개기공률이 0.3% 미만, 절연 내압이 15 kV/mm 이상이며, 중공부를 갖는 알루미나 관(1)과, 그 알루미나 관(1)의 중공부(1b)에 배치되어 있는 내측 전극(2a)과, 알루미나 관(1)의 외주면에 접하여 배치되어 있는 외측 전극(2b)을 구비하기 때문에 알루미나 관(1)이 절연 파괴를 일으키거나 충전 가스를 오염시키거나 하는 것을 방지할 수 있고, 균일한 이온화를 실현할 수 있다. 따라서, 시간적, 공간적으로 균일한 전자 밀도를 달성할 수 있으며, 충전 가스의 교환을 행하는 필요성을 저감할 수 있다.
이러한 코로나 방전 처리부(10a)를 구비한 엑시머 레이저(10)는, 예컨대 레이저에 의해 전사를 행하는 리소그래피 장치 등에 이용할 수 있다.
다음에, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에로만 한정되는 것은 아니다.
(알루미나 관 제조)
순도가 99.99 중량%, 비표면적이 7 ㎡/g, 평균 입자 직경이 7 ㎛의 알루미나 분말과, 소결조제로서 마그네시아 0.07 중량%를 함유하는 원료 분말에, 물, 분산제, 바인더로서 폴리비닐알콜(PVA)과 폴리에틸렌글리콜을 첨가하고, 트롬멜로 혼합하여 슬러리를 제작하였다. 얻어진 슬러리를 스프레이 드라이어를 이용하여 분무 건조하고, 평균 입자 직경이 약 70∼90 ㎛인 조립 과립을 제작하였다.
조립 과립을 이용하여 CIP에 의해 관 형상의 성형체를 작성하였다. 얻어진 성형체를 탈지하고, 상압 소결법에 의해 소결하여 관 형상의 알루미나 소결체를 얻었다. 구체적으로는, 수소 분위기에 있어서, 100℃/시간으로 승온하고, 1600℃에서 3시간 유지하여 소성하였다. 얻어진 관 형상의 알루미나 소결체의 양단에 가공에 의해 트랙킹 방지홈을 형성하였다. 이와 같이 하여, 코로나 방전용 내측 전극이 삽입되는 중공부를 갖는, 외경 15 mm, 내경 6 mm, 길이 700 mm의 알루미나 관을 얻었다.
(평가 방법)
얻어진 알루미나 관에 대해서 이하에 나타내는 (1)∼(8)의 평가를 행하였다. (1) 순도 : 유도 결합 플라즈마(ICP) 발광 스펙트럼 분절에 의해 불순물 함유량을 정량하였다. 불순물 함유량의 정량 결과를 이용하여 알루미나 관의 순도를 산출하였다. (2) 밀도 : 순수(純水)를 매체로 사용하고, 아르키메데스법을 이용하여 평가하였다. (3) 개기공률 : 순수를 매체로 사용하고, 아르키메데스법을 이용하여 평가하였다. (4) 절연 내압 : JIS C2110에 준한 방법에 의해 측정하였다. (5) 체 적 고유 저항치 : JIS C2141에 준한 방법에 의해 실온(25℃)에서 측정하였다. 인가 전압은 5000 v/mm로 하였다. (6) 유전률 : JIS C2141에 준한 방법에 의해 실온(25℃)에서 측정하였다. (7) 평균 입자 직경 : 소결체의 표면을 경면 연마하고, 광학 현미경을 이용하여 400배의 배율로 관찰함으로써 측정하였다. (8) 4점 굽힘 강도 : JIS R1601에 준한 방법에 의해 실온에서 측정하였다.
(평가결과)
얻어진 알루미나 관은 순도가 99.9 중량%, 밀도가 3.99 g/㎤, 개기공률이 0.1%, 절연 내압이 16 kV/mm였다. 또, 실온에 있어서의 고유 체적 저항치가 5.0×1016 Ω·cm, 유전률이 11.0이었다. 그 때문에, 알루미나 관은 높은 절연 내압을 가지며 고전압을 인가하여도 절연 파괴가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 알루미나 관은 고속 이온화를 실현할 수 있고, 균일한 이온화를 행할 수 있다. 또한, 알루미나 관은 높은 내식성을 실현할 수 있으며 충전 가스의 오염도 방지할 수 있다. 또, 평균 입자 직경은 7 ㎛, 4점 굽힘 강도는 500 MPa이며, 긴 형상임에도 불구하고, 높은 강도를 가지고 있으며, 취급이나 가공을 문제없이 할 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 절연 파괴의 발생이나 충전 가스의 오염을 방지할 수 있고, 균일한 이온화가 가능한 알루미나 관을 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 순도가 99.9 중량% 이상, 밀도가 3.99 g/㎤ 이상, 개기공률이 0.3% 미만, 절연 내압(耐壓)이 15 kV/mm 이상이며, 코로나 방전용 내측 전극이 배치되는 중공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미나 관.
  2. 제1항에 있어서, 실온에 있어서의 고유 체적 저항치가 4.0×1016 Ω·cm 이상인 것을 특징으로 하는 알루미나 관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유전률이 10.7 이상인 것을 특징으로 하는 알루미나 관.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 평균 입자 직경이 3∼10 ㎛인 것을 특징으로 하는 알루미나 관.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 4점 굽힘 강도가 500 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 알루미나 관.
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