TW201802050A - 紫外線穿透玻璃、紫外線照射裝置及紫外線殺菌裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明之課題是提供一種紫外線穿透率高且機械強度良好之紫外線穿透玻璃、使用了該紫外線穿透玻璃之紫外線照射裝置及紫外線殺菌裝置。 解決手段上，本發明為一種紫外線穿透玻璃，其係一具有自表面起往深度方向3~50μm之表面壓縮應力層的玻璃體，且前述玻璃體於板厚0.5mm之分光穿透率測定時，波長254nm之穿透率為70%以上；本發明並為使用了該紫外線穿透玻璃之紫外線照射裝置及使用了該紫外線穿透玻璃之紫外線殺菌裝置。
Description
本發明係關於一種紫外線穿透率高且機械強度良好之紫外線穿透玻璃、使用了該玻璃之紫外線照射裝置及紫外線殺菌裝置。
一般而言，淨水及廢水處理場會將水中所含各種微生物等之病毒進行殺菌。殺菌方法中有使用氯、紫外線及臭氧等之殺菌方法。
其中，使用紫外線之殺菌法係對水照射紫外線以破壞微生物之組織。該方法因可於短時間進行殺菌處理，故於處理大量的水之大規模處理場及於短時間處理少量的水之家庭等皆適合使用。
使用紫外線之殺菌法一般係使用讓應處理的水通過雙管構造之內管及外管間的裝置。並且於內管之內部，會配置紫外線照射裝置(殺菌燈)。為了讓水曝露於自紫外線照射裝置發射出之紫外線中，而要求內管之紫外線穿透率要高，且作為該內管自以往即使用石英玻璃管(參閱專利文獻1)。 先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開平02-184390號公報
發明概要 發明欲解決之課題 石英玻璃管之氧化矽(SiO2
)純度高，故不僅紫外線穿透率高，亦具有優異之耐蝕性及耐熱性。石英玻璃管可藉由使SiCl4
進行火焰水解之方法等製造圓柱狀之合成石英玻璃，並將其進行抽管成形(拉管)等來製得。
然而，上述之石英玻璃管必須分別進行製造上需要很多時間之合成石英之晶錠成形及拉管，因而有其製造成本高這樣的問題。
又，在水殺菌裝置中，為了讓水通過使用了石英玻璃管之雙管內時不發生漏水，會使用封裝材料等之密封構件將管端嚴密地密封。此時，石英玻璃管因氧化矽(SiO2
)之純度高且具有預定之熱膨脹係數，故需配合該石英玻璃管之熱膨脹係數來選定密封構件。
又，石英玻璃並不限於管狀，譬如即便為板狀亦可使用，但板狀者有耐衝擊性上之課題，特別是於彎曲應力起作用時恐會有破損之虞。使玻璃之機械強度提升之手段，為人所知的有將玻璃進行強化處理之方法。特別是曾進行化學強化處理的玻璃，即便於玻璃之厚度薄時亦具有高機械強度。但是，就適於化學強化之玻璃而言，一般所用之鋁矽酸鹽玻璃因玻璃中氧化鋁的含量多使得紫外線穿透率非常地低，本來就不適於讓紫外線穿透之用途。
本發明係為了解決如前所述課題而作成者，目的在於以低成本提供紫外線穿透率高的玻璃。本發明目的更在於提供機械強度良好的玻璃。又，本發明目的在於提供一種可使相對於密封構件之熱膨脹係數的熱膨脹係數差較石英玻璃等更為縮小的玻璃。 用以解決課題之手段
本發明之紫外線穿透玻璃，係一具有自表面起往深度方向3~50μm之表面壓縮應力層的玻璃體，且前述玻璃體於板厚0.5mm之分光穿透率測定時，波長254nm之穿透率為70%以上。
本發明之紫外線照射裝置具有：紫外線光源，其可朝外部放射紫外線；及紫外線穿透構件，其係設於前述紫外線光源與自該紫外線光源放射之紫外線的照射對象物之間；並且，前述紫外線穿透構件係上述紫外線穿透玻璃。
本發明之紫外線殺菌裝置具有：紫外線光源，其可朝外部放射紫外線；管狀紫外線穿透構件，其收容前述紫外線光源；及流路形成構件，其設置成在前述管狀紫外線穿透構件外周形成紫外線之照射對象物之流路；並且，前述紫外線穿透構件係上述紫外線穿透玻璃。 發明效果
依據本發明之紫外線穿透玻璃，可提供一紫外線穿透率大且機械強度高的玻璃，且可適合使用於紫外線照射裝置等。
依據本發明之紫外線照射裝置及紫外線殺菌裝置，因是使用前述紫外線穿透玻璃故可使自紫外線源放射之紫外線效率良好地朝外部放射，且因玻璃之機械強度亦高故可有效抑制使用時之破損等。又，複合使用紫外線穿透玻璃與其他構件時，可較以往更加擴展紫外線穿透玻璃與其他構件之組合選擇的幅度。
用以實施發明之形態 以下，就本發明之實施形態的紫外線穿透玻璃、紫外線照射裝置及紫外線殺菌裝置進行說明。
〔紫外線穿透玻璃〕 本發明之一實施形態的紫外線穿透玻璃如前所述係一具有自表面起往深度方向3~50μm之表面壓縮應力層的玻璃體，且該玻璃體於板厚0.5mm之分光穿透率測定時，波長254nm之穿透率為70%以上。
該紫外線穿透玻璃如前述具有自表面起往深度方向3μm~50μm之表面壓縮應力層，表面壓縮應力層係將玻璃體之表面進行強化處理而形成。因具有表面壓縮應力層，故紫外線穿透玻璃之機械強度高而可抑制破損等之憂慮。
形成於該玻璃體表面之表面壓縮應力層之深度(以下有時稱作「DOL｣)為3μm~50μm。DOL小於3μm的話在接觸損傷較DOL更深入時，恐有玻璃之機械強度降低之虞。又，DOL超過50μm的話在強化處理後會難以將玻璃進行切斷加工。DOL宜落在5μm~40μm，較佳為7μm~30μm。
此時，宜施有化學強化處理讓因強化處理而得之表面的壓縮應力(以下有時稱作「CS｣)譬如成為300MPa以上、500MPa以上、700MPa以上、900MPa以上，以使能按照用途等所需達到所欲之強度。因CS之數值變高化學強化玻璃之機械強度會變高。另一方面，因CS變得過高的話恐有玻璃內部之拉伸應力極端地變高之虞，故CS宜設為1400MPa以下，較佳係設在1300MPa以下。
形成於玻璃體主面的壓縮應力值(CS)及壓縮應力層之深度(DOL)例如可使用表面應力計(折原製作所公司製，FSM-6000LE)觀察干涉條紋之數量及其間隔來求算得。
作為使玻璃體之表面形成壓縮應力層之手法係以風冷強化法(物理強化法)及化學強化法為代表。風冷強化法(物理強化法)係一藉由風冷等將已加熱至軟化點附近的玻璃板表面急速冷却來進行之手法。又，化學強化法係一在玻璃轉移點以下之溫度下藉由離子交換將存在於玻璃板表面之離子半徑小的鹼金屬離子(典型的為Li離子、Na離子)交換成離子半徑較大的鹼離子(典型上對於Li離子係交換成Na離子或K離子，對於Na離子則交換成K離子)之手法。
另外，對厚度薄的玻璃體(譬如厚度2mm以下之玻璃體)運用風冷強化法的話，會因為難以確保表面與內部之溫度差而難以形成壓縮應力層。因此，於強化處理後之玻璃而言，將難以獲得所欲達成之高強度的特性。又，以風冷強化法來說，因冷卻溫度之不均而恐有損害玻璃板平面性之虞。特別是就厚度薄的玻璃板來說，因難以藉風冷形成玻璃表面與內部之熱梯度而可能會無法獲得所欲之壓縮應力值。又風冷時平面性受損之疑慮大，可能會損及本發明所欲達成之紫外線穿透能。從該等觀點來看，玻璃宜藉由後者之化學強化法來進行強化。另外，本實施形態中所用之紫外線穿透玻璃，其厚度並無特別限制，可以適宜之板厚來作使用。該板厚宜為例如0.1mm~3mm。
化學強化處理舉例來說可藉由將玻璃體浸漬於400℃~550℃之熔融鹽中1~96小時左右來進行。用於化學強化處理之熔融鹽只要為含有鉀離子或鈉離子者即無特別限定，但舉例來說適合使用硝酸鉀(KNO3
)之熔融鹽。其他亦可使用硝酸鈉(NaNO3
)之熔融鹽及混合了硝酸鉀(KNO3
)與硝酸鈉(NaNO3
)之熔融鹽。
藉由將本實施形態之紫外線穿透玻璃於板厚0.5mm之分光穿透率測定時的波長254nm穿透率設為70%以上，可效率良好地運用應用波長254nm附近之紫外線的裝置。於板厚0.5mm之分光穿透率測定時，若波長254nm之穿透率小於70%的話，則無法效率良好地運用裝置，因而並不理想。波長254nm之穿透率宜為75%以上，較佳為78%以上，最佳為80%以上。
於本說明書中，穿透率係使用分光穿透率測定器(日本分光公司製，商品名：V-570)並按照JIS R3106：1998進行測定來求算。
近年來，特別是波長200nm~350nm之深紫外線之應用，不用說細菌及病毒之殺菌，在飲用水與空氣之淨化、生物感測、生物體與材料分析、光學微影、院內感染之預防、外科光線治療及高密度光資訊記錄等從安全衞生、環境及醫療應用至資訊與電子裝置，於廣泛的領域中都受到矚目，其重要性與日俱增。因此，具有如前述穿透特性之本實施形態之紫外線穿透玻璃可適合使用於適用深紫外線之裝置等。
為製得具有如前述特性之玻璃體，可舉例如具有如下述組成之玻璃。另外，以下說明之玻璃組成係形成壓縮應力層之前的組成。
作為本發明一實施形態之紫外線穿透玻璃用的玻璃，可舉以氧化物為基準之莫耳百分率表示含有下述組成之玻璃：55~80%之SiO2
；12~27%之B2
O3
；4~20%之Na2
O；合計為4~20%之R2
O(R表示選自於由Li、Na及K所構成群組中之至少1種鹼金屬)；0~3.5%之Al2
O3
；合計為0~5%之R´O(R´表示選自於由Mg、Ca、Sr及Ba所構成群組中之至少1種鹼土類金屬)；0~5%之ZnO；及0~10%之ZrO2
。以下關於組成之化學成分的含量只要無特別之說明則為以氧化物為基準之莫耳百分率表示。
SiO2
係構成玻璃骨架之成分，為必要成分。此實施形態中之SiO2
之含量為55~80%。SiO2
之含量小於55%的話，作為玻璃之穩定性會降低或耐氣候性會降低。該含量宜為55.5%以上，較佳為56%以上。又，SiO2
之含量超過80%的話，玻璃之黏性會增大，熔融性會顯著地降低。該含量宜為77%以下，典型的為75%以下。
B2
O3
係使紫外線之穿透率(特別是深紫外線之穿透率)提升之成分，為必要成分。此實施形態中之B2
O3
係12~27%。B2
O3
之含量小於12%的話，就提升紫外線之穿透率來說恐有無法獲得顯著效果之虞。該含量宜為13%以上，典型的為14%以上。B2
O3
之含量超過27%的話，會因揮發產生條痕，恐有成品率降低之虞。該含量宜為26%以下，典型的為25%以下。
Na2
O係使玻璃之熔融性提升之成分，為必要成分。Na2
O之含量為4~20%。本實施形態中之Na2
O之含量小於4%的話熔融性差。該含量宜為4.5%以上，典型的為5%以上。Na2
O之含量超過20%的話耐氣候性會降低。故該含量宜為18%以下，典型的為16%以下。
R2
O(R表示選自於由Li、Na及K所構成群組中之至少1種鹼金屬)如前述說明因Na2
O為必要成分故此R2
O為必定含有之成分，係一使玻璃之熔融性提升之成分。且係為了進行化學強化處理而必定要含有之成分。此R2
O之含量ΣR2
O(ΣR2
O係指Li2
O、Na2
O及K2
O之含量之合計)係4~20%。本實施形態中之ΣR2
O小於4%的話熔融性差。ΣR2
O宜為4.5%以上，典型的為5%以上。ΣR2
O超過20%的話耐氣候性會降低。ΣR2
O宜為18%以下，典型的為16%以下。
Al2
O3
係使玻璃之耐氣候性提升之成分。此實施形態中之Al2
O3
之含量為0~3.5%。Al2
O3
之含量超過3.5%的話玻璃的黏性會變高而難以均質熔融。該含量宜為3.3%以下，典型的為3%以下，最佳為實質上不含Al2
O3
。另外，於本說明書中「實質上不含Al2
O3
｣係指Al2
O3
之含量小於0.1%。
將本實施形態宜實質上不含Al2
O3
之理由敘述如下。 吾人認為玻璃之深紫外線穿透率係依存於玻璃之非交聯氧量，非交聯氧量一多深紫外線穿透率即會變低。而Al2
O3
係一減少玻璃之非交聯氧量之成分，過去認為藉由含有Al2
O3
可製得深紫外線穿透率高的玻璃。但是，本案發明人等將Al2
O3
及其他玻璃組成條件作變更並進行試驗後卻有了新的見解，與習知之技術常識相反，吾人發現藉由盡可能減少Al2
O3
之含量，理想的是不含Al2
O3
，可製得深紫外線穿透率高的玻璃。其機制之詳細情形尚不明確，但可推定其理由如下。
據稱Al2
O3
會偕同玻璃中之鹼金屬成分形成玻璃之網狀結構，因而結果來說是會減少非交聯氧。但是，吾人認為由於玻璃為非晶狀態故會產生玻璃結構之變動(fluctuation)。即，雖然使Al2
O3
增加平均上來說非交聯氧量會有減少之趨勢，然而另一方面，亦無法否認可能會因非晶狀態特有之結構變動，使得不形成網狀結構之Al成分以修飾氧化物(結構缺陷)存在之比例增加。推測像這樣起因於不形成網狀結構之Al成分的結構缺陷會形成紫外區之光的吸收帶，而使紫外線穿透能降低。
另外，於本說明書中「實質上不含特定成分｣係指故意不作添加的意思，而非指排除自原料等不可避免地混入且以不會影響預期特性的程度含有之組成。
R´O(R´表示選自於由Mg、Ca、Sr及Ba所構成群組中之至少1種鹼土類金屬)係使熔融性提升之成分，為一雖非必要但可視需要含有之成分。該R´O之含量ΣR´O(ΣR´O係指MgO、CaO、SrO及BaO之含量的合計量)為0~5%。該ΣR´O超過5%的話耐氣候性會降低。ΣR´O之含量宜為4%以下，典型的為3%以下。R´O由於其原料中含有較多會成為深紫外線穿透率降低之原因的Fe2
O3
及TiO2
，故宜在0.1%以下。
ZnO係使玻璃之耐氣候性提升並使紫外線照射試驗中之劣化度減低之成分，為一可視需要含有之成分。此實施形態中之ZnO之含量為0~5%。ZnO之含量超過5%的話玻璃之失透特性會惡化。該含量宜為4.5%以下，典型的為4%以下。
ZrO2
係使玻璃之耐氣候性及耐藥性提升並使紫外線照射試驗中之劣化度減低之成分，為一雖非必要但可視需要含有之成分。此實施形態中之ZrO2
之含量為0~10%。ZrO2
之含量超過10%的話玻璃之熔融性恐有惡化之虞。該含量宜為9%以下，典型的為8%以下。
Fe2
O3
係一種存在於玻璃中會吸收深紫外線而使穿透率降低之成分。因此，宜設為盡可能低的含量。然而，要完全避免其從玻璃原料或製造過程混入是非常困難的。舉例來說，雖亦可將Fe2
O3
之含量設為如小於0.00005%之低含量，然而於該情況下將使用經精製之高成本的玻璃原料等，用以製造玻璃之成本會變高，因而並不理想。
因此，除了紫外線穿透玻璃之特性外再考慮到製造成本的話，Fe2
O3
之含量宜為0.00005%以上，較佳為0.0001%以上。另一方面，若Fe2
O3
之含量變為超過0.01%的話，深紫外線之穿透率便會變得過低，使得具有預期之特性變得困難因而並不理想。Fe2
O3
之含量宜為0.01%以下，較佳為0.0065%以下，典型的為0.005%以下。
TiO2
與Fe2
O3
同樣為一種存在於玻璃中會吸收深紫外線而使穿透率降低之成分。然而，要完全避免其從玻璃原料或製造過程混入是非常困難的。舉例來說，雖亦可將TiO2
之含量設為如小於0.0001%之低含量，然而於該情況下將使用經精製之高成本的玻璃原料等，用以製造玻璃之成本會變高，因而並不理想。
因此，除了紫外線穿透玻璃之特性外再考慮到製造成本的話，TiO2
之含量宜為0.0001%以上，較佳為0.0003%以上。另一方面，若TiO2
之含量變為超過0.02%的話，深紫外線之穿透率便會變得過低因而並不理想。TiO2
之含量宜為0.02%以下，較佳為0.015%以下，典型的為0.01%以下。
Cr2
O3
、NiO、CuO、CeO2
、V2
O5
、MoO3
、MnO2
及CoO皆為存在於玻璃中會吸收深紫外線而使穿透率降低之成分。因而，玻璃中實質上不含該等成分為佳。另外，所謂玻璃中實質上不含上述成分係指各成分個別之含量為10ppm以下。
SO3
係作為澄清劑發揮作用之成分，雖非必要但可視需要含有。含有SO3
時小於0.005%的話將無法獲得所期待之澄清作用。因此，其含量宜為0.005%以上，較佳為0.01%以上，0.02%以上尤佳。並且，最佳為0.03%以上。又超過0.5%的話反而會變成氣泡之產源，恐有諸如玻璃之燒穿變慢及氣泡個數增加之虞。因此，其含量宜為0.5%以下，較佳為0.3%以下，0.2%以下尤佳。並且，最佳為0.1%以下。
SnO2
係作為澄清劑發揮作用之成分，雖非必要但可視需要含有。含有SnO2
時小於0.005%的話將無法獲得所期待之澄清作用。因此，其含量宜為0.005%以上，較佳為0.01%以上，0.05%以上尤佳。又超過1%的話反而會變成氣泡之產源，恐有諸如玻璃之燒穿變慢及氣泡個數增加之虞。因此，其含量宜為1%以下，較佳為0.8%以下，0.5%以下尤佳。並且，最佳為0.3%以下。
Cl因有使後述紫外線照射試驗波長254nm下之劣化度特別增高之虞，故以實質上玻璃中不含有為佳。另外，「實質上玻璃中不含Cl｣係指各成分個別之含量為10ppm以下。
F係熔融玻璃時會揮發之成分，因有於玻璃中產生條痕之虞，故以實質上玻璃中不含有為佳。另外，「實質上玻璃中不含F｣係指各成分個別之含量為10ppm以下。
將由前述組成構成之玻璃體進行強化處理可獲得本實施形態之紫外線穿透玻璃。
本實施形態之紫外線穿透玻璃於溫度22℃且濕度40%之環境中之裂縫形成負載(以下有時稱CIL(crack initiation load))宜為1.5kgf以上。裂縫形成負載係表示裂縫發生機率達50%之負載。裂縫發生機率係從維氏壓痕之4處頂點全部發生裂縫之機率，從所有的頂點皆有裂縫產生時，裂縫數為4，發生機率相當於100%。裂縫形成負載低的話便會容易因與物體之接觸發生裂縫，或強度容易降低。較佳為1.6kgf以上，更佳為1.8kgf以上，2.0kgf以上尤佳。
裂縫形成負載係以以下之要領進行測定。利用維氏硬度試驗計於溫度22℃且濕度40%之環境中將維氏壓頭(Vickers indenter)壓入玻璃表面15秒鐘，之後將維氏壓頭放開並觀察壓痕部分。一般來說，於玻璃中可能會自壓痕之4個角落產生裂縫。4個角落之中，僅於1個角落看到有裂縫時為裂縫發生機率25%，僅於2個角落看到有裂縫時為裂縫發生機率50%，僅於3個角落看到有裂縫時為裂縫發生機率75%，4個角落皆可看到裂縫時則為100%，並針對多片試片測定裂縫發生機率。之後，將裂縫發生負載標繪於橫軸上，將裂縫發生機率標繪於縱軸上，並求出裂縫發生機率成為50%之維氏負載，且以此為裂縫形成負載。該值愈大表示愈不會發生裂縫且愈難以破壞。
本實施形態之紫外線穿透玻璃宜為已抑制紫外線老化(玻璃因曝露於紫外線下造成之著色)者。具體來說，於以下之紫外線照射試驗中，波長254nm之穿透率的劣化度宜為10%以下。
於紫外線照射試驗中使用的試料係將玻璃試樣切割成邊長30mm正方之板狀且經進行兩面光學研磨加工使厚度為0.5mm者。針對該試料使用物理化學用高壓水銀燈於波長254nm之紫外線照射強度約為5mW/cm2
之條件下照射紫外線100小時，並分別測定其紫外線照射前後之波長254nm的穿透率，並且以下式求出劣化度。 劣化度(%)=[(T0
-T1
)/T0
]×100 (此時，令紫外線照射前之波長254nm的穿透率為T0
，紫外線照射後之波長254nm的穿透率為T1
)。
又，本實施形態之紫外線穿透玻璃，於板厚0.5mm之分光穿透率測定時，波長365nm之穿透率宜為80%以上。具有如此良好之穿透率不僅可應用波長245nm之深紫外線，連波長365nm附近之紫外線亦可有效應用。於板厚0.5mm之分光穿透率測定時，若波長365nm之穿透率小於80%的話，便無法效率良好地運用裝置，故並不理想。波長365nm之穿透率宜為82%以上，較佳為85%以上，最佳為90%以上。
又，本實施形態之紫外線穿透玻璃於化學強化處理前後分光穿透率並無變化。又，本實施形態之紫外線穿透玻璃不因化學強化處理之有無而於紫外線穿透率之劣化度上有所差異。
又，本實施形態之紫外線穿透玻璃於0~300℃溫度範圍內之平均熱膨脹係數宜為30×10-7
~90×10-7
/℃。將紫外線穿透玻璃用於紫外線光源裝置時，因需將光源作氣密式密封而使用用以氣密式密封之封裝材料等其他構件，藉由接合等來複合使用封裝材料與紫外線穿透玻璃。可是，UV燈等之紫外線光源會隨著發光而溫度上昇，以致封裝材料及紫外線穿透玻璃受到加熱，故若紫外線穿透玻璃與封裝材料之熱膨脹係數差大的話，便會於接合部分產生剝離及破損，而有無法維持氣密狀態之虞。一般而言，作為封裝材料，考慮到耐熱性會使用玻璃、結晶化玻璃、陶瓷及氧化鋁等材質，且宜將該等封裝材料與紫外線穿透玻璃之熱膨脹係數的差縮小。因此，本實施形態之紫外線穿透玻璃，宜將0~300℃溫度範圍內之平均熱膨脹係數設為前述範圍。紫外線穿透玻璃之平均熱膨脹係數在前述範圍外時，與封裝材料之熱膨脹係數差即大，使用於紫外線光源裝置時恐有因剝離及破損而變得無法保持氣密狀態之虞。
又，紫外線穿透玻璃和與該紫外線穿透玻璃接合之其他構件於0~300℃溫度範圍之平均熱膨脹係數的差宜為20×10-7
/℃以下，較佳為10×10-7
/℃以下，最佳為5×10-7
/℃以下。
又，於本說明書中，平均熱膨脹係數係經使用示差熱膨脹計於升溫速度10℃/分下加熱後自0~300℃之線膨脹係數算出平均值而得。
其次，就本實施形態之紫外線穿透玻璃之製造方法進行說明。 首先，準備用以構成各成分之玻璃原料。本實施形態所利用之玻璃原料亦可使用氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、氟化物及氯化物等任一形態之化合物。
接著，依可形成具有所欲組成之玻璃的方式調合該等原料，並將之投入熔融槽中加熱熔融。熔融槽係選自白金、白金合金及耐火材料之材料的容器。本實施形態中所謂白金或白金合金之容器，係由選自於由白金(Pt)、銥(Ir)、鈀(Pd)、銠(Rh)、金(Au)及其等之合金所構成群組中之金屬或合金構成的容器，為可耐高溫熔融者。
將已於前述熔融槽熔解之玻璃在配置於下游側之脫泡槽及攪拌槽進行氣泡及條痕之去除，藉此可製得玻璃缺陷少且經均質化之高品質的玻璃。使前述玻璃透過噴嘴等流出至模具中進行澆鑄成型，或使前述玻璃進行眾所周知之下拉法(down-draw process)、壓製法及軋平轉出(roll out)後予以拉製，而成形成板狀等預定之形狀。可對經徐冷之玻璃施行切片及研磨加工等而獲得預定形狀之玻璃。此時，係將玻璃成形、加工成最後所欲獲得之形狀，且不限於板狀，可按照用途成形成管狀及成形體等適當之形狀。
繼而，可藉由對所得之玻璃利用前述之物理強化處理或化學強化處理施行強化處理，而製得紫外線穿透率高且機械強度良好的紫外線穿透玻璃。本實施形態之紫外線穿透玻璃可適合用於具有紫外線光源之裝置。
前述本實施形態之紫外線穿透玻璃可適合用於使用紫外線光源之裝置(例如UV-LED、UV雷射等)，以及以UV剝離(UV peeling)為前提之半導體晶圓製造用之支撐基板及發光管等。作為前述裝置可舉例如紫外線硬化型樹脂組成物之硬化裝置及紫外線感測器之光源蓋玻璃、水殺菌裝置等，但並不侷限於該等。又，本實施形態之紫外線穿透玻璃不限於管狀，可按照用途以板狀或成形體等適當之形狀作使用。
比如UV-LED元件，其成為光源之UV-LED晶片是設置在施有電性連接之以樹脂、金屬及陶瓷等基材構成之封裝體的凹部或平面上，並使用具UV穿透性之透明材料作為光射出側窗材，且光射出側窗材與基材構成一經氣密密封之構造。UV-LED元件於UV發光之同時也會產生發熱，所以在基材與透明材料之熱膨脹係數有大幅差異時，會在基材與透明材料之接合部分發生破裂或裂縫而使製品可靠性顯著降低。 但是，藉由使用本實施形態之熱膨脹係數已獲控制之紫外線穿透玻璃作為透明材料，可改善與基材之熱膨脹係數之差異且亦會具有良好之耐氣候性，因此可提供即使長期使用也不會使可見區之穿透率降低且少有製品破裂或裂縫發生之UV-LED元件。
比如UV感測器，其對UV波長具感度之光感測晶片是設置在施有電性連接之以樹脂、金屬及陶瓷等基材構成之封裝體的凹部或平面上，並使用具UV穿透性之透明材料作為光射入側窗材，且光射出側窗材與基材構成一經氣密密封之構造。於此處，基材與透明材料之熱膨脹係數一旦有大幅差異，便會引起各構件之破裂或裂縫發生，使製品可靠性顯著降低。 但是，藉由使用本實施形態之熱膨脹係數已獲控制之紫外線穿透玻璃作為透明材料，可改善與基材之熱膨脹係數之差異且亦會具有良好之耐氣候性，因此可提供即使長期使用也不會使可見區之穿透率降低且少有製品破裂或裂縫發生之UV感測器。
比如UV雷射元件，其成為光源之UV雷射是設置在施有電性連接之以金屬、AlN等陶瓷等之基材構成之封裝體的凹部或平面上，並使用具UV穿透性之透明材料作為光射出側窗材，且光射出側窗材與基材構成一經氣密密封之構造。UV雷射元件於UV發光之同時也會產生發熱，所以在基材與透明材料之熱膨脹係數有大幅差異時，會在基材與透明材料之接合部分發生破裂或裂縫而使製品可靠性顯著降低。 但是，藉由使用本實施形態之熱膨脹係數已獲控制之紫外線穿透玻璃作為透明材料，可改善與基材之熱膨脹係數之差異且亦會具有良好之耐氣候性，因此可提供即使長期使用也不會使可見區之穿透率降低且少有製品破裂或裂縫發生之UV雷射。
又，於水殺菌係使用將UV-LED陣列安裝在多片玻璃板之間的光源。於此處，藉由使用將本實施形態之玻璃進行板狀成形者作為玻璃板，可提供一深紫外光之穿透率高且殺菌性高的板狀UV-LED陣列。
比如紫外光之發光管，係使用玻璃管中安裝有紫外線光源者。於此處，藉由使用將本實施形態之玻璃進行管成形者作為玻璃管，可提供一深紫外光之穿透率高的發光管。
前述以UV剝離為前提之半導體晶圓製造用之支撐基板，舉例來說，於半導體晶圓製造步驟中支撐基板是利用在Si之背面研磨(back grind)用途等。藉由使用支撐基板使Si基板更為薄膜化有益於行動電話或數位AV機器及IC卡等之晶片的小型化及薄型化之要求。現今，對於使用在半導體晶圓背面研磨用途等之支撐基板多採用再生Si基板，但因背面研磨後之剝離方法限定於熱處理或物理處理，而抱有處理時間變長、成品率亦差等之課題。
藉由使用本實施形態之可控制熱膨脹係數的紫外線穿透玻璃作為支撐基板，即可使用熱膨脹係數與Si一致之玻璃基板並利用紫外線硬化樹脂(具有紫外吸收性結構之化合物)等與Si基板貼合進行加工，且於背面研磨後進行剝離時，可藉由曝露於高強度之紫外線中，使其接著性降低，而可容易且迅速地自Si基板剝離。此外，處理時間亦變短，亦可有助於成品率提升。
又，於用以將水進行殺菌之裝置中，係使用將UV-LED呈線狀配列之基板密封在具UV穿透性之玻璃管中的光源。於此處，藉由使用將本實施形態之玻璃進行管成形者作為玻璃管，可提供一深紫外光之穿透率高且殺菌性高的管狀UV-LED光源。另外，因用以將水進行殺菌之裝置所使用之光源係以浸漬於水中之狀態或與水接觸之狀態下作使用，故被從光源發出之熱加熱的管內表面與跟水接觸之管外表面的溫度差會有變大的情形。因此，從防止因熱震(heat shock)造成玻璃管破損之觀點來看，熱膨脹係數宜低，而本實施形態之玻璃在此點上便甚是合宜。將本實施形態之玻璃用在此用途時，0~300℃之溫度範圍內的平均熱膨脹係數宜在70×10-7
/℃以下，較佳為60×10-7
/℃以下，更佳為50×10-7
/℃以下。 以下，針對紫外線照射裝置，以進行水之殺菌處理的紫外線殺菌裝置為例參照圖式進行說明。
於圖1係顯示本發明之一實施形態之紫外線殺菌裝置。該紫外線殺菌裝置10具有：紫外線光源11，其可朝外部放射紫外線；管狀紫外線穿透構件12，其密閉收容紫外線光源11；及流路形成構件13，其設置成在管狀紫外線穿透構件12之外周形成紫外線之照射對象物之流路。於流路形成構件13設有導入殺菌處理對象之被處理水的導入口13a及導出經殺菌處理之處理水的導出口13b。於該紫外線殺菌裝置10中，會在被處理水從導入口13a流向導出口13b期間照射紫外線，進行被處理水中之殺菌處理。
於此處所用之紫外線光源11只要為可朝外部照射紫外線者則可無特別限定地作使用，可舉眾所周知之紫外線光源。眾所周知之紫外線光源可舉低壓水銀UV燈、高壓水銀UV燈、金屬鹵素UV燈、準分子燈、超高壓UV燈及UVLED等為例。
另外，流路形成構件13之端部與紫外線穿透構件12係以封裝材料14作接合並密封，並且構成為從導入口13a導入之被處理水無漏至外部地流至導出口13b。又紫外線光源11係藉由纜線15而與未作圖示之電源連接。
紫外線光源11可使用於前述紫外線照射裝置所說明之紫外線光源，而作為紫外線穿透構件12則可使用已於前述作說明之紫外線穿透玻璃。
流路形成構件13只要為對熱及紫外線具抗性且可穩定導入及導出被處理水者則可無特別限定地使用。可舉例如玻璃、結晶化玻璃、陶瓷及氧化鋁等。就玻璃而言亦可使用本實施形態之玻璃。
封裝材料14可列舉如前所述之玻璃、結晶化玻璃、陶瓷及氧化鋁等。 實施例
以下將根據實施例說明本發明。例1~例6為實施例，例7及例8則為比較例。於各例中所用之試料係依如下方式製成。
首先，調合玻璃原料以使其成為表1所載之莫耳百分率表示之玻璃組成，並使用白金坩堝將該玻璃原料調合物於1300~1650℃之溫度下進行5小時熔融、攪拌及澄清。於鑄鐵之模具中將該熔融物澆鑄成形，並進行徐冷而製得800g之玻璃試料(玻璃磚)。又，對該玻璃磚進行切片及研磨加工等而製得預定形狀(25mm×25mm×0.5mm)之玻璃板。
令所得之玻璃板於溫度425℃且濃度99%之硝酸鉀(KNO3
)熔融鹽中浸漬預定之時間，使存在於玻璃板表面之鈉離子與鉀離子進行離子交換以形成壓縮應力層而製得強化玻璃板。此時浸漬時間係例1設為8小時，例2~6則設為24小時。另外，雖於表1中未作記載，但各實施例之玻璃的波長254nm紫外線初始穿透率於化學強化處理前後並無變化。因此，例7及例8係使用未進行化學強化處理之化學強化處理前的玻璃來測定波長254nm紫外線的初始穿透率。
就所得之強化玻璃板測定了紫外線之初始穿透率、紫外線照射試驗後之穿透率、紫外線穿透率之劣化度、平均熱膨脹係數、表面壓縮應力(CS)、表面壓縮應力層之深度(DOL)以及強化處理前後之裂縫形成負載(CIL)。並將該等之結果一併示於表1。另外，ND表示未實施測定。
[表1]
另外，針對前述各特性進行測定如下。 [紫外線之初始穿透率] 針對於各例中所得板厚0.5mm之強化玻璃板，利用紫外線可見光近紅外線分光光度計(日本分光公司製，商品名：V-570)測定波長254nm紫外線之初始穿透率(T0
)。
[紫外線照射後之紫外線穿透率] 對於在各例中所得板厚0.5mm之強化玻璃板，使用物理化學用高壓水銀燈(HARISON TOSHIBA LIGHTING CORPORATION製，型號：H-400P)照射波長254nm之紫外線照射強度為約5mW/cm2
之紫外線100小時後，同樣予以測定強化玻璃板之穿透率，而獲得紫外線照射後之紫外線穿透率(T1
)。
[紫外線穿透率之劣化度] 該紫外線穿透率之劣化度係利用下式自前述測定中所得之初始穿透率T0
及紫外線照射後之穿透率T1
算出。 劣化度(%)=[(T0
-T1
)/T0
]×100 另外，雖於表1中未作記載，但各實施例之玻璃的紫外線穿透率之劣化度未因有無化學強化處理而不同。
[平均熱膨脹係數] 熱膨脹係數係測定強化玻璃板於0℃與300℃下之伸長率差，並從該等長度之變化量算出0~300℃下之平均線膨脹係數α0-300
。 具體之測定方法如下。將測定對象之玻璃板加工成圓形截面的玻璃棒(長度：100mm，外徑：4~6mm)。接著，將玻璃保持在石英製夾持具上並於0℃下保持30分鐘，之後以微測儀(micro-gauge)測出長度。接下來，將玻璃放入300℃之電爐中並保持30分鐘，之後以微測儀測出長度。並從所測得玻璃之0℃與300℃之伸長率差算出線膨脹係數。另外，針對白金製棒(長度：100mm，外徑：4.5mm，線膨脹係數：92.6×10-7
/℃)亦同樣進行使用了0℃與300℃之伸長率差的線膨脹係數測定，白金製棒之線膨脹係數偏離了92.6×10-7
/℃時，係使用偏移量對玻璃之線膨脹係數的測定結果進行了補正。
[壓縮應力(CS)及壓縮應力層之深度(DOL)] 強化玻璃板之壓縮應力(CS)及壓縮應力層之深度(DOL)係使用表面應力計(折原製作所公司製，FSM-6000LE)，觀察干涉條紋之數目及其間隔而求出。
[裂縫形成負載(CIL)] 利用維氏硬度試驗計於溫度：22℃且濕度：40%之環境中將維氏壓頭壓入強化玻璃板表面15秒鐘，之後將維氏壓頭放開並觀察壓痕部分。且分別就壓入負載0.5kg、1.0kg、1.5kg、2.0kg、3.0kg及5.0kg予以算出裂縫發生機率。之後，將裂縫發生負載標繪於橫軸上，將裂縫發生機率標繪於縱軸上，並求出裂縫發生機率成為50%之維氏負載，且以此為裂縫形成負載。
從以上可確認於例1~6所得之強化玻璃板皆有70%以上之良好紫外線穿透率，且CIL值亦大於1.5kgf而機械強度高，故為優異之紫外線穿透玻璃。並且，該等強化玻璃板經紫外線照射試驗之劣化度亦低而良好，且熱膨脹係數也大於石英玻璃，可擴大與其他構件之接合的選項。相對於此，於例7及8中所得之玻璃板(未作化學強化處理)，紫外線之穿透率皆小於70%非常的低，可知並不適於使用紫外線光源之裝置。另外，因為玻璃在化學強化處理前後之紫外線穿透率不會產生變化，故可認為即使將例7及8之玻璃板進行化學強化處理其等之紫外線的穿透率仍低。
10‧‧‧紫外線殺菌裝置
11‧‧‧紫外線光源
12‧‧‧紫外線穿透構件
13‧‧‧流路形成構件
13a‧‧‧導入口
13b‧‧‧導出口
14‧‧‧封裝材料
15‧‧‧纜線
11‧‧‧紫外線光源
12‧‧‧紫外線穿透構件
13‧‧‧流路形成構件
13a‧‧‧導入口
13b‧‧‧導出口
14‧‧‧封裝材料
15‧‧‧纜線
圖1係顯示本發明一實施形態的紫外線殺菌裝置之概略構成的圖。
10‧‧‧紫外線殺菌裝置
11‧‧‧紫外線光源
12‧‧‧紫外線穿透構件
13‧‧‧流路形成構件
13a‧‧‧導入口
13b‧‧‧導出口
14‧‧‧封裝材料
15‧‧‧纜線
Claims (12)
- 一種紫外線穿透玻璃，其特徵在於係一具有自表面起往深度方向3~50μm之表面壓縮應力層的玻璃體， 且前述玻璃體於板厚0.5mm之分光穿透率測定時，波長254nm之穿透率為70%以上。
- 如請求項1之紫外線穿透玻璃，其中前述玻璃體以氧化物為基準之莫耳百分率表示，含有： 55~80%之SiO2 ； 12~27%之B2 O3 ； 4~20%之Na2 O； 4~20%之R2 O(R表示選自於由Li、Na及K所構成群組中之至少1種鹼金屬)； 0~3.5%之Al2 O3 ； 0~5%之R´O(R´表示選自於由Mg、Ca、Sr及Ba所構成群組中之至少1種鹼金屬)； 0~5%之ZnO；及 0~10%之ZrO2 。
- 如請求項1或2之紫外線穿透玻璃，其中前述玻璃體實質上不含Al2 O3 。
- 如請求項1或2之紫外線穿透玻璃，其中前述玻璃體以氧化物為基準之莫耳百分率表示，更含有0.00005~0.01%之Fe2 O3 及/或0.0001~0.02%之TiO2 。
- 如請求項1或2之紫外線穿透玻璃，其中前述玻璃體於其表面具有300~1400MPa之壓縮應力。
- 如請求項1或2之紫外線穿透玻璃，其中前述玻璃體於紫外線照射試驗中，以下式求得波長254nm之穿透率的劣化度為10%以下： 劣化度(%)=[(T0 -T1 )/T0 ]×100 (式中，T0 係厚度0.5mm之紫外線穿透玻璃的波長254nm初始穿透率，T1 則係對前述紫外線穿透玻璃以5W/cm2 之強度照射波長254nm之紫外線100小時後的波長254nm穿透率)。
- 如請求項1或2之紫外線穿透玻璃，其中前述玻璃體於板厚0.5mm之分光穿透率測定時，波長365nm之穿透率為80%以上。
- 如請求項1或2之紫外線穿透玻璃，其中前述玻璃體於0~300℃溫度範圍內之平均熱膨脹係數為30×10-7 ~90×10-7 /℃。
- 如請求項1或2之紫外線穿透玻璃，其中前述玻璃體之CIL為1.5kgf以上。
- 如請求項1或2之紫外線穿透玻璃，其中前述玻璃體為管狀。
- 一種紫外線照射裝置，其特徵在於具有： 紫外線光源，其可朝外部放射紫外線；及 紫外線穿透構件，其係設於前述紫外線光源與自該紫外線光源放射之紫外線的照射對象物之間； 並且，前述紫外線穿透構件係如請求項1或2之紫外線穿透玻璃。
- 一種紫外線殺菌裝置，其特徵在於具有： 紫外線光源，其可朝外部放射紫外線； 管狀紫外線穿透構件，其收容前述紫外線光源；及 流路形成構件，其設置成在前述管狀紫外線穿透構件外周形成紫外線之照射對象物之流路； 並且，前述紫外線穿透構件係如請求項1或2之紫外線穿透玻璃。
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