JP5223716B2

JP5223716B2 - 低圧水銀ランプ

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Publication number: JP5223716B2
Application number: JP2009032941A
Authority: JP
Inventors: 宣是菱沼; 幸治田川
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-02-16
Also published as: JP2010192159A; CN101807510A; KR20100093477A; TW201103072A

Description

本発明は発光管の内部に水銀を封入した低圧水銀ランプに関する。特に、液晶パネルの製造工程において用いられる照射装置の光源である低圧水銀ランプに関する。

従来、マルチドメイン垂直配向型(Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔｍｏｄｅ)液晶パネルにおいては、液晶分子の配向規制(プレチルト)用構造物として基板上に土手(線状突起)が設けられている。しかし、土手は光を遮りバックライトの光を減じる為、表示画面の明るさを減じてしまうという問題があった。

近年、液晶分子を配向規制(プレチルト)させる方法として、液晶パネルを構成する２枚のガラス基板間に重合性成分(モノマー、またはオリゴマー等、以下モノマーと記述する)を含有した液晶を充填して、電圧を印加しながら紫外線を照射することにより、モノマーを重合して液晶分子の傾斜方向(プレチルト角)を規制する液晶パネルの製造方法が提案されている（特許文献１）。

また、従来から紫外線照射に用いられる低圧水銀ランプが知られている（特許文献２）。図４は、従来の低圧水銀ランプを示す断面図である。
低圧水銀ランプ９の発光管９０は合成石英ガラスや溶融石英ガラス、ホウケイ酸ガラスなどよりなり、内部にフィラメントマウントからなる電極９３、９４を備えている。発光管９０内部には例えばアルゴン等の希ガスと水銀が封入され、両端が箔シールによって封止されている。
このような低圧水銀ランプ９は、放電により発光管９０内の水銀原子が電離および励起され、１８５ｎｍ、２５４ｎｍ、３１３ｎｍ、３６５ｎｍ等の波長帯の紫外線が得られる。

特開２００８−１２３００８号特開２００１−２２２９７３号

上記の液晶パネルの製造方法においては、紫外線の照射によってモノマーが重合されるが、同時に液晶にも紫外線が照射されるため、液晶の劣化が問題となる。
液晶は有機物であり、紫外線によって分子結合が分解される可能性がある。紫外線は波長が短くなるほど光子エネルギーが大きくなり、分子結合を分解する能力が高くなる。また、液晶材料は３２０ｎｍ程度に吸収端を持ち、波長が短くなるにつれて吸収しやすくなる光吸収特性を持っている。したがって、３２０ｎｍ程度より短い波長の紫外線は液晶を分解しやすいため、液晶材料に照射することは好ましくないと考えられる。
また、この方法においては、一般的に２枚のガラス基板は紫外線で硬化する封着剤で接着される。この硬化に用いる紫外線は３６５ｎｍ付近にピーク波長を持つ紫外線であるため、モノマーはこの紫外線によって重合しないよう、３６５ｎｍ付近の紫外線より短波長で感光するように設計されている。
以上のことから、液晶とともに充填されたモノマーを重合させるための紫外線としては３２０ｎｍ〜３５０ｎｍ程度の領域の波長を持つ光であることが好ましい。

しかし、従来の低圧水銀ランプにおいては、出射される光は３２０ｎｍ以下の水銀による２５４ｎｍや３１３ｎｍの相対強度の大きいピーク波長を持つ。これを解決するためには、発光管の内面に所定の蛍光体を塗布し、光の波長を３４０ｎｍ程度の発光に変換するという方策が考えられる。しかし、蛍光体は１８５ｎｍや２５４ｎｍの発光を吸収することができるが、３１３ｎｍの光を吸収することができない。したがって、３２０ｎｍ以下の波長の光が照射されて液晶材料を分解してしまうおそれがある。

以上により、本発明は３２０ｎｍ程度以下の光の出射を抑制して、３２０ｎｍ〜３５０ｎｍ程度の領域の波長を持つ紫外線を出射する、液晶とともに充填されたモノマーを重合する光源に適した低圧水銀ランプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、発光管の内部に一対の電極を有する低圧水銀ランプにおいて、石英ガラスよりなる発光管と、この発光管の内表面に設けられた遷移金属酸化物を５ｗｔ％以下含有した硬質ガラスよりなるガラス層と、このガラス層の内表面に設けられた蛍光体層よりなることを特徴とする。

また、本発明は、前記ガラス層はガラス粉末が堆積したガラス層であることを特徴とする。

本発明の低圧水銀ランプによれば、液晶パネルの製造工程において基板内に液晶ともに充填されるモノマーの重合に用いられる紫外線を出射することができ、発光管内表面に設けられたガラス層により、水銀によるピーク波長３１３ｎｍの発光について透過率を大幅に下げることができる。これにより、液晶材料の劣化を生じさせること無く、波長３２０〜３５０ｎｍの紫外線によりモノマーの重合を好適に行うことができる。

また、本発明によれば、ガラス層を粒子状のガラス粉末が堆積した層で構成することにより、応力を緩和してクラックの発生を防ぐことができる。

（ａ）は本発明にかかる低圧水銀ランプを長手方向に沿って切断した断面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図である。本発明においてガラス管内にガラス層を形成する方法を説明するための図である。本発明におけるガラス層について説明するための模式図である。従来における低圧水銀ランプを長手方向に沿って切断した断面図である。

図１（ａ）は本発明にかかる低圧水銀ランプを長手方向に沿って切断した断面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図である。
低圧水銀ランプ１は、発光管１０の内部に一対の電極を備えている。発光管１０の材料は石英ガラスであり、例えば溶融石英ガラスである。電極は内部リードとフィラメントにより構成されるフィラメントマウントによる電極１３、１４であり、発光管１０の両端において封止された箔１６を介して外部リード１７と電気的に接続されている。給電はこの外部リード１７によって行われる。発光管１０の内部には放電物質として、例えばアルゴン等の希ガスと水銀が封入される。封入量は例えばアルゴン４ＫＰａ（３０Ｔｏｒｒ）であり、水銀が１０ｍｇである。

図１（ｂ）に示すように、この発光管１０の内面には２つの層が形成されている。発光管１０の内表面上に接して設けられるのは、硬質ガラスによるガラス層１１である。さらにガラス層１１の表面上には蛍光体層１２が設けられる。

以下に発光管１０の内面にガラス層１１および蛍光体層１２を形成する方法について、図２または図３を参照しながら説明する。
まず、発光管の内面に設けるガラス層の材料の製造について説明する。
硬質ガラスの原材料となるＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＴｉＯ_２などの酸化物粉末を混合する。これらの原材料から製造される硬質ガラスにおいて、例えば紫外線の透過という点で良好なものは、ホウケイ酸ガラス（Ｓｉ−Ｂ−Ｏ系ガラス、軟化点：約８００℃）、アルミノケイ酸ガラス（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系ガラス、軟化点：約９００℃）などであり、このような硬質ガラスは単独で用いたり、適宜の割合で混合したりして用いることができる。

混合した酸化物粉末に遷移金属酸化物を混合する。遷移金属であれば基本的に材料が限定されるものではなく、例えばＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅなどを好適に用いることができる。これら遷移金属は、硬質ガラスの３２０ｎｍ以下の波長の透過率を下げるために混合される。遷移金属酸化物の含有量は、酸化物との重量の和に対して５ｗｔ（重量）％以下であることが好ましい。例えば、ＴｉＯ_２を３％含有させることで３２０ｎｍより短波長の紫外線の透過率を５０％以下に下げることができる。

混合した酸化物粉末は、炉（坩堝）に入れられて加熱され、溶融される。温度は組成によって適宜設定されるが、例えば１０００〜１７００℃である。

溶融してガラス状になったものは、取り出して固化される。固化したガラスは粉砕され、篩にかけられて粒の大きさごとに分級される。以上により所定の粉末サイズのガラス粉末を得ることができる。

ガラス粉末を用いて、ガラス層を形成するためのスラリーを作製する。使用するガラス粉末の平均粒径は０．５〜１０μｍであり、好ましくは１〜５μｍである。
このガラス粉末を、ニトロセルロースと酢酸ブチルの混合液（重量比１：４の割合）と混合する。混合液をアルミナボールとともにボールミルにかけて十分にミリングすることで、ガラス粉末が分散されたスラリー（以下、単にガラススラリーとも呼ぶ）となる。

続いて、ガラススラリーを発光管材料のガラス管の内面に塗布する。
図２は、本発明においてガラス管内にガラス層を形成する方法を説明するための図である。
本発明の低圧水銀ランプの発光管となる発光管材料用ガラス管８０は、図２に示すように内部に放電空間となる内部空間を備え、長手方向の両端部が封止されたガラス管であり、両端部には内部と外部が連通する小管８３Ａ、８３Ｂを備えている。
このガラス管８０を垂直に保持し、ガラススラリーを満たした容器の液面に、小管８３Ｂを入れ、小管８３Ａから吸引によりガラススラリーを吸い上げると、ガラス管８０内部にガラススラリーが充填される。充填後、ガラススラリーを小管８３Ｂより排出すると、ガラス管８０の内面にガラススラリーが塗布された状態となる。
ガラススラリーの粘度や塗布回数を調整すると、最終的に得られるガラス層の厚みを変えることができる。塗布されたガラススラリーの厚みは、剥離を防止するために１〜３０μｍであることが好ましい。
なお、小管８３Ａ、８３Ｂについては、発光管の形状によっては必ずしも必要ではなく、ガラス管８０が管状のままでもガラススラリーや後述する蛍光体について、塗布や乾燥を行うことができる。

ガラススラリーを塗布した後、ガラス管８０の小管８３Ａから他方の小管８３Ｂへ乾燥窒素ガスを流して、ガラススラリーに含まれる酢酸ブチルを蒸発させる。これにより、ガラス管８０の内表面上に、厚さが１〜３０μｍのガラス粉末が堆積した層が形成される。乾燥に用いる気体は乾燥空気でも良い。

ガラス管８０を加熱し、ガラス粉末の層を焼成する。焼成条件は、大気中において約５００〜１０００℃、最高温度での保持時間が０．２〜１時間程度である。前述したホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラスを用いた場合には、６００〜９００℃で行うことが好ましい。この焼成過程によってガラス粉末は軟化点まで達し、粒子どうしが融着して結合するとともに、ガラス管８０に融着し、ガラス管８０に結着したガラス層１１となる。
ガラス層１１は粒子全体が溶融する溶融温度まで昇温させずとも、表面だけで結合することにより結着するため、粒子形状を維持している。

ガラス層を構成する硬質ガラス粉末が粒子形状を維持しているときは以下のような効果がある。
図３は本発明におけるガラス層について、ガラス粉末とガラス管が融着している様子を示す説明のための模式図である。この図においてガラス粉末は説明のために大きさを誇張して表現されている。また、接着の様子も説明のために誇張して表現されている。
ガラス粉末２０Ａとガラス粉末２０Ｂは粒子全体が融着して一体となっているわけではなく、例えば略球状の粒子形状を維持し、その表面の一部どうしが少ない面積で接触して融着している。
同様に、ガラス管８０とガラス粉末２０Ａ、またはガラス粉末２０Ｂも、表面の一部どうしが少ない面積で接触して融着している。

発光管１０の材料である石英ガラスの熱膨張係数は、室温付近で５×１０^−７〜７×１０−^７（１／Ｋ）であるのに対して、硬質ガラスの場合、多くは３０×１０^−７〜５０×１０−^７（１／Ｋ）である。石英ガラスの表面上に、ある程度の厚み（１０μｍ程度）に溶融して一体となったガラス層を形成した場合、熱膨張係数の差により硬質ガラス層にクラックが発生してしまう。このため、硬質ガラスは粉末状で粒子形状を概ね維持することで、表面の一部どうしが少ない面積で接触して融着している方が熱膨張係数の差による応力を緩和することができるため、好ましい。

硬質ガラスの粉末によるガラス層を焼成した後は、ガラス管８０を常温まで冷却し、調整済みの蛍光体のスラリーを発光管内に塗布する。
蛍光体の塗布方法は先に説明したガラススラリーの塗布方法と同様であり、ガラス管８０を垂直に保持し、蛍光体スラリーを満たした容器の液面に一方の小管８３Ｂを入れ、一方の小管８３Ａから吸引を行い、蛍光体スラリーを吸い上げてガラス管８０内部に充填し、その後小管８３Ｂから排出することにより塗布する。
本発明にかかる低圧水銀ランプにおいて好適に用いることができる蛍光体は、例えば、ユーロピウム付活ホウ酸ストロンチウム（Ｓｒ−Ｂ−Ｏ：Ｅｕ、中心波長３６８ｎｍ）蛍光体、セリウム付活アルミン酸マグネシウムランタン（Ｌａ−Ｍｇ−Ａｌ−Ｏ：Ｃｅ、中心波長３３８ｎｍ（ただしｂｒｏａｄ））蛍光体、ガドリニウム、プラセオジム付活リン酸ランタン（Ｌａ−Ｐ−Ｏ：Ｇｄ、Ｐｒ）蛍光体などである。これらの蛍光体はいずれも波長２５４ｎｍ付近より短い波長領域の紫外線を吸収して各々有する中心波長帯の紫外線に変換して放射する。

蛍光体スラリーによって、ガラス管８０の内面に蛍光体を塗布した後は、小管８３Ａから他方の小管８３Ｂに乾燥窒素ガス等を流すことで蛍光体スラリーに含まれる酢酸ブチルを蒸発させる。

蛍光体を塗布して乾燥させたガラス管８０を炉に入れて焼成する。焼成条件は例えば大気中において約５００℃〜８００℃であり、最高温度での保持時間にして０．２〜１時間程度である。
この焼成工程において、蛍光体層とガラス層との境界面でガラスの軟化が生じて蛍光体がガラス層に結着し、強固な結合状態が得られる。
以上により発光管材料用ガラス管８０の内面に、硬質ガラス層１１と蛍光体層１２とを形成することが出来る。
ガラス層１１と蛍光体層１２とを形成したガラス管８０には内部に放電物質が封入され、電極がとりつけられ、気密に封止される。

再び図１（ａ）に戻り、ガラス層１１および蛍光体層１２の役割について説明する。
本発明においては、低圧水銀ランプから放射される紫外線のうち、相対的に発光強度の強いピーク波長１８５ｎｍ、２５４ｎｍ、３１３ｎｍの発光が問題となる。前述のようにこれらのピーク波長は３２０ｎｍ以下の強いエネルギーを持つ紫外線であり液晶材料を分解するおそれがあるためである。
そのうち、１８５ｎｍ、２５４ｎｍの発光については、前述したとおり所定の蛍光体層によって吸収することができる。
本発明においては、ガラス層１１によってピーク波長３１３ｎｍの紫外線に透過率を大幅に下げることが出来る。ガラス層１１を構成する硬質ガラスが前述のホウケイ酸ガラスやアルミノケイ酸ガラスなどを主成分とする硬質ガラスであり、このガラス層に遷移金属酸化物が５ｗｔ％以下含まれることにより、３１３ｎｍの発光についても透過率を大幅に下げることができる。これにより、本発明にかかる低圧水銀ランプは、３２０ｎｍ程度以下の光の出射を抑制して、３２０ｎｍ〜３５０ｎｍ程度の領域の波長を持つ紫外線を出射することができる。

また、本発明においては低圧水銀から出射される波長３２０〜３５０ｎｍの透過性を高めるために発光管１０に石英ガラスを用いている。ガラス層１１は硬質ガラスであり、石英ガラスとの熱膨張係数が大きく異なる。このガラス層１１を粒子状のガラス粉末が堆積した層で構成することにより、接触面積を少なくして応力を緩和し、クラックの発生を防ぐことができる。

１低圧水銀ランプ
１０発光管
１１ガラス層
１２蛍光体層
１３電極
１４電極
１６箔
１７外部リード
２０Ａガラス粉末
２０Ｂガラス粉末
８０ガラス管
８３Ａ小管
８３Ｂ小管
９低圧水銀ランプ
９０発光管
９３電極
９４電極
９６箔
９７箔
Ｓ放電空間

Claims

発光管の内部に一対の電極を有する低圧水銀ランプにおいて、
石英ガラスよりなる発光管と、この発光管の内表面に設けられた遷移金属酸化物を５ｗｔ％以下含有した硬質ガラスよりなるガラス層と、このガラス層の内表面に設けられた蛍光体層よりなることを特徴とする低圧水銀ランプ。
前記ガラス層は、ガラス粉末が堆積したガラス層であることを特徴とする請求項１に記載の低圧水銀ランプ。