HIDランプの熱処理や

高輝度放電ランプ用管球材料の
熱処理および点灯による構造変化
分子科学講座
田中宏志
シリカガラス
ほぼ100％ SiO₂からなる非晶質材料
特性
・光をよく通す (真空紫外～近赤外）
・耐久性に優れている
・紫外線
・熱
・薬品
シリカガラスの種類
・溶融石英ガラス
製法・電気溶融法
・プラズマ溶融法
・酸水素火炎溶融法
・金属不純物の有無
・OH基の有無
・光学的均質性
・合成シリカガラス
製法・直接法
・スート法
・プラズマ法
・ゾル-ゲル法
用途により使い分け
OH基と仮想温度
・OH基
・Si-OH基の形でシリカガラス中に存在
・熱処理などによりOH基が増減する。
・仮想温度，TF
・仮想温度とはガラスの構造が凍結したと考えられる温度
・長時間高温で加熱後、急冷したガラスを測定することにより，
構造の仮想温度依存性を求められる
← 本研究では，代用特性(赤外吸収ピーク位置)から測定
HID (高輝度放電）ランプ
High Intensity Discharge Lamp
特徴
・ランプ１灯あたりの光束が大きい
・電球やハロゲン電球に比べ発光効率に優れる
用途プロジェクター
リソグラフィー
自動車
ランプ管球
f27 mm
f34 mm
Measured Area
Hydrogen-Oxygen
Flame
f80 mm
Measured Area
f90 mm
ショートアーク水銀ランプ（リソグラフィー用）
研究の背景
HIDランプの使用が増加
管球使用にともなう構造変化の知見がない
熱処理に伴うデータをとる
測定方法
サンプル
・厚さ約0.5mm
・幅1.5mm～3.6mm
測定器
・日本分光製FT/IR-600Plus
フーリエ変換赤外分光光度計
+IRT-30型赤外顕微鏡
アパーチャー30μm□
測定項目
・OH濃度
・仮想温度
測定機器の写真
OH濃度の測定方法
OH ppm 
1
A 1000
t cm
t : サンプルの厚み
Ａ : ピーク位置高さ
A 0.5
0.4
Absorbance
・OH濃度の計算
ES
0.3
0.2
0.1
0
3400
3500
3600
3700
Wavenumver (cm-1)
3800
3400～3800cm-1付近の赤外吸収スペクトル
仮想温度の測定方法
・仮想温度の計算
43809.21cm K
ν  2228.64cm 
Tf
1
T
f
：仮想温度
ν：ピーク位置の波数
1
Absorbance
0.25
ES
0.24
0.23
2220
2240
2260
2280
Wavenumver (cm-1)
2300
2220～2300cm-1付近の赤外吸収スペクトル
参考文献
A. Agarwal, K. M. Davis, and M. Tomozawa, J. Non-Cryst. Solids, 185, 191 (1985)
実験の種類
１. HIDランプ用管球の熱処理
２. HIDランプの点灯による
構造変化
３. HIDランプに封入したシリカ
ガラスの構造変化
１. HIDランプ用管球の熱処理
・熱処理条件
サンプル
A
B
C
D
E
F
G
熱処理条件
未処理
900℃，5h
1050℃，5h
1050℃，10h
1150℃，5h
1200℃，10h
合成，未処理
１.OH濃度の測定結果
（単位：ppm）
位置
㎛
A
B
処理温度(℃) 未処理 900
処理時間(h)
5
C
D
E
F
G
1050 1050 1150 1200 合成，
10
5
10 未処理
5
15
25
760
980
176
248
592
412
578
no
203
253
192
261
1187
887
45
740
nd
nd
nd
nd
nd
327
100
nd
nd：測定限界以下
nd
no：測定なし
１.仮想温度の測定結果
2000
A
G (合成未処理)
Fictive Temperature (K)
1800
G
1600
B
C
D
1400
F (10 h)
E (10 h)
F
E
1200
1000
0
A: 未処理
A
B
C
D
E
F
G
500
1000
1500
Distance From Outside (m)
C (5 h), D (10 h)
B (5h)
２.HIDランプの点灯
使用サンプル
点灯時間の違うHIDランプ (小型1cm）
点灯時間
１
２
10分
2000時間
２.OH濃度の測定結果
OH cont. (ppm)
150
100
点灯2000h
50
点灯10分間
0
0
500
1000
1500
Distance From inside ( m)
２.仮想温度の測定結果
Fictive Temprature TF (K)
1800
1600
点灯10分間
約1450K
1400
1200
1000
0
点灯2000h
約1250K
500
1000
1500
Distance From inside ( m)
３ .HIDランプに封入したシリカガラス
・使用したランプ管球
ショートアーク水銀ランプ（10cm）
・サンプル
試料名
材質
製造方法 OH量（ｐｐｍ）
ED-A
合成石英ガラス
スート法
N
有水溶融石英ガラス火炎溶融 100~200
HR
無水溶融石英ガラス電気溶融
ES
合成シリカガラス
直接法
80
700~1500
片面を酸水素火炎処理
３.OH濃度の測定結果
200
200
ED-A
(70ppm)
100
0
0
OH cont. (ppm)
OH cont. (ppm)
300
1000
2000
3000
Distance From Surface (m)
2000
N
(110ppm)
100
1000
2000
3000
Distance From Surface (m)
OH cont. (ppm)
OH cont. (ppm)
100
0
0
1000
2000
3000
Distance From Surface (m)
200
0
0
HR
(10ppm)
ES
(1000ppm)
1000
0
0
1000
2000
3000
Distance From Surface (m)
３．仮想温度の測定結果
1300
HR
1350～1450K
1200
1100
0
1000
2000
3000
Distance From Surface(m)
Fictive Temprature TF (K)
ED-A
1300～1400K
1300
1200
1100
0
1300
N
1350～1450K
1200
1000
2000
3000
Distance From Surface(m)
1500
1500
1400
1400
1100
0
1000
2000
3000
Distance From Surface(m)
Fictive Temprature TF (K)
Fictive Temprature TF (K)
1400
Fictive Temprature TF (K)
1500
1500
1400
ES
1200～1300K
1300
1200
1100
0
1000
2000
3000
Distance From Surface(m)
まとめ
・HIDランプの熱処理による構造変化
・HIDランプの点灯による構造変化
・OH基の除去には限界がある
・長い間点灯すると内側にOH基が入り込む
・シリカガラスの種類によって構造変化の様子が違う
今後の課題
・構造変化に対する点灯時間依存性の把握

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