JP4296523B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生装置に関する。特に、いわゆる大気圧プラズマ発生装置に関する。

本発明者らは、特許文献１及び２に記載された大気圧プラズマ発生装置を出願している。向かい合う電極面にマイクロサイズの凹凸形状を施すことで、ホローカソード放電を生じさせてプラズマを発生させるものである。当該プラズマ発生領域（プラズマ化領域）を通過するようにプラズマ発生用ガスを導入すれば、少なくともその一部がプラズマ化したガスを噴出させることができる。これにより、単相の商用１００Ｖ電源から昇圧機で数ｋＶ程度の高周波を発生させて、簡便に高密度な大気圧プラズマを発生させることができる。
特開２００６−１９６２１０ 特開２００６−２７２０３９

特許文献１及び２の技術では、電極間隔を広くすると放電が不安定となり、逆に間隔を１ｃｍ以上とした場合は放電維持が不可能となる。そこで特許文献１及び２においては、例えば長手方向を有する領域をプラズマ化領域とする場合、当該長手方向の長さの電極を用いていた。しかし、そのような長い電極を互いに向き合わせた場合、プラズマ化の均一化に問題があった。このために例えば液晶パネル等の表面の一部のような、比較的幅の広い領域へのプラズマ処理に十分には有効利用できない。或いは、プラズマ発生領域の体積自体を大きくすることも困難である。このため、高密度な大気圧プラズマを発生しうるものでありながら、その有効利用範囲が限定されたものとなっていた。

本発明は上記課題を解決するためのものであり、その目的は、プラズマ発生領域の体積を大きくした大気圧プラズマ発生装置を提供することである。

請求項１に係る発明は、大気圧プラズマ発生装置において、長手方向を有する柱状のプラズマ化領域を形成する絶縁体から成る筐体部と、筐体部に内包されるプラズマ化領域に、長手方向に離間して配設された１対の電極と、プラズマ化領域の長手方向とは垂直な方向からプラズマ発生用ガスをプラズマ化領域に導入するプラズマ発生用ガスの導入口と、プラズマ化領域の長手方向とは垂直な方向へ、少なくとも一部がプラズマ化したガスを噴出し、プラズマ化領域の長手方向に沿って配設された噴出口とを有することを特徴とする大気圧プラズマ発生装置である。

請求項２に係る発明は、噴出口は、前記プラズマ化領域の長手方向に沿って複数、配設されていることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、プラズマ化領域を、長手方向の長さが、１ｃｍ以上５０ｃｍ以下であり、長手方向に垂直な断面積は、３ｍｍ² 以上２５ｍｍ² 以下としたことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、プラズマ化領域の長手方向及びガス流方向に垂直な幅を、２ｍｍ以上５ｍｍ以下としたことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、筐体内部を、実質的に加圧も減圧もしない、大気圧プラズマ発生源とすることを特徴とする。尚、本発明において大気圧プラズマとは、０．５気圧乃至２気圧の範囲内での圧力下を言うものとする。
請求項６に係る発明は、１対の電極が、１ｃｍ以上５０ｃｍ以下の距離で離間して配置されていることを特徴とする。
請求項７に係る発明は、１対の電極の少なくとも一方には、他方の電極と対向する表面に凹凸が形成されていることを特徴とする。
請求項８に係る発明は、柱状のプラズマ化領域の長手方向の長さＬｃｍと、長手方向に垂直な断面積σｍｍ²の関係は、２≦Ｌσ≦２００且つ３≦σ≦２５であることを特徴とする。

絶縁体から成る筐体部に囲まれた、或いは挟まれた空間に大気圧プラズマが形成される。この絶縁体に囲まれた、或いは挟まれた柱状の空間でプラズマの長尺化が図られている。ここで絶縁体の役割は、その内面が帯電することで、長手方向を有する体積の大きなプラズマ化領域全体のプラズマ化を安定させるものであると考えられる。

プラズマ発生用ガスの流路はプラズマ化領域の長手方向に沿った流路でも良く、或いは垂直に横切るものでも良い。プラズマ発生用ガスの流路がプラズマ化領域の長手方向に沿った流路である場合は、例えば処理対象がガスである場合は、その処理対象ガスとプラズマ発生用ガスとを混合して導入口からプラズマ化領域に導入することができる。
特許文献１及び２に記載された凹凸面を有する電極を用いたホローカソード放電を利用すると、容易に大気圧プラズマを生成できる。
本発明の柱状のプラズマ化領域の長手方向の長さＬ（ｃｍ）は１以上５０以下であり、長手方向に垂直な断面積σ（ｍｍ²）は３以上２５以下である。柱状のプラズマ化領域は、断面積σが小さいほど長さＬを長くできる。また、筐体部が実質的に筒状である方が、長さＬを長くできる。Ｌとσの関係は２≦Ｌσ≦２００であればプラズマを安定して生成できることが実験で確かめられた。

筐体部は、内部で発生するプラズマに対して耐性の強い材料を用いることが必要であり、例えば焼結窒化ホウ素（ＰＢＮ）のようなセラミックスが好ましい。

電極の材料としては、ステンレス、モリブデン、タンタル、ニッケル、銅、タングステン、又は、これらの合金などを使用することができる。ホローカソード放電を生じせしめる凹部を形成する面は、１〜３０ｍｍ程度の厚さとするのが望ましい。厚くすることで、凹部を多段に形成することができ、ガスの流速を向上させてプラズマの生成密度を向上させることができる。ホローカソード放電を生じせしめる凹部は、例えば深さを０．５ｍｍ程度とすると良い。凹部はドット状に不連続に形成されても、溝状に連続して形成されても良いが、連続していた方が望ましい。凹部の形状は、円柱面状、半球面状、角柱面状、角錐状、その他任意に形成できる。

プラズマを発生させるためのガスは、大気圧で、空気、酸素、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒその他の希ガス、窒素、水素などを用いることができる。空気や酸素を用いることにより、活性な酸素ラジカルが得られ、有機汚染物質の効果的な除去が可能となる。また、空気を用いれば経済的である。たとえば、希ガスであるＡｒを用いた場合には、Ａｒプラズマが処理対象に照射される時、周囲の酸素分子がＡｒプラズマにより酸素ラジカルになる。この酸素ラジカルにより、処理対象物表面の有機汚染物質を効果的に除去することができる。また、ガスとしてＡｒガス以外に使用しないので、経済的でもある。以上の理由から、空気とＡｒとの混合ガスを用いても良い。ガスの流速、供給量、或いは真空度は任意に設定できる。また、本発明は高周波によりプラズマを発生させるものではなく、電極に接続する電源は、直流、交流、その他任意であって、周波数に制限はない。

また、噴出口から処理対象にプラズマガスを噴射する場合の距離は、ガスの流速とも関係するが、例えば２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲が望ましい。さらに望ましくは、３ｍｍ〜１２ｍｍであり、最も望ましくは、４ｍｍ〜８ｍｍである。酸素ラジカルを発生させる場合、処理対象の表面において酸素ラジカルの密度が最も高く、電子密度が最も低くなるような距離に設定するのが良い。これにより、処理対象のチャージアップ損傷を防止でき、最も、効率の良い洗浄が可能となる。さらに、処理対象に対して斜め方向からプラズマを照射しても良い。斜め方向からプラズマを照射することで、例えば偏光フィルムや液晶封止剤にプラズマが照射されて製品に対する悪影響を防止することができる。また、プラズマを照射したくない部分には、プラズマを含まない空気などのガスを吹き付けて、プラズマが拡散しないようにすることができる。

また、電極の酸化防止には、窒素やＡｒ、又は、還元作用のある水素を含むガスを用いて酸素濃度を低くすると良い。また、複数種類のプラズマを発生させることで、有機汚染物質のみ除去し、他の領域には反応しないようにすることも可能である。また、処理対象へのプラズマの照射部分から反応後のガスを吸引しておくのが望ましい。これにより有機汚染物質と反応した分子が他の領域に付着することが防止される。さらに、プラズマの温度と密度をレーザ光の吸収分光分析などを用いて測定し、所定の温度と密度になるように、印加電圧の大きさ、パルス印加であれば、デューティ比、照射時間、ガス流速などをフィードバック制御することが望ましい。これにより、品質の高い洗浄と洗浄時間の短縮を実現することができる。また、噴出口を直線状又は複数個の噴出口を直線状に配置して形成したとして、噴出口の幅と長さを適正に設定することにより、必要な部分にのみプラズマを照射することが可能となる。また、ガスを冷却しておいて、本装置に供給してプラズマ化するのが望ましい。これにより、プラズマの温度が必要以上に上昇することが防止され、例えば液晶表示装置等に対する影響、たとえば、偏光フィルムへの損傷を防止することが可能となる。本発明は、非常に小型にすることができると共に、ガスの供給方向とプラズマの吹き出し方向や、吹き出しプラズマの形状などを任意に自由に設計することができる。よって、これらのプラズマを吹き出す開口部を複数設け、それぞに、任意の方向からガスを供給させることも可能となる。したがって、基板においてＡＣＦの貼付部分にのみプラズマを高密度で照射することが可能となると共に、液晶表示器組付装置の空いている狭い空間であっても、有効に本洗浄装置を有効に取り付けることが可能となる。
以上の全ての発明において、大気圧が望ましいが、減圧でも、加圧でも良く、大気圧には、０．５〜２気圧程度も大気圧とする。

図１．Ａは本発明の具体的な一実施例に係るプラズマ発生装置１００の構成を示す断面図である。図１．Ｂは、図１．Ａのプラズマ発生装置１００の電極２ａ及び２ｂの形状の詳細を示す図である。

図１．Ａのプラズマ発生装置１００は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を原料とする焼結体から成る筒状の筐体部１０を有し、その両端の開口を、ガス導入口１０ｉ及びガス噴出口１０ｏとした。筐体部１０内部のガス導入口１０ｉ近傍に電極２ａを、筐体部１０内部のガス噴出口１０ｏ近傍に電極２ｂを配置した。電極２ａ及び２ｂは図１．Ｂに示す通り、互いに対向する面が深さ０．５ｍｍ程度の凹部（ホロー）Ｈを多数有した凹凸面となっている。筐体部１０は内径２〜５ｍｍ、厚さ０．２〜０．３ｍｍ、長さ２５ｃｍの管状とし、電極２ａ及び２ｂの径は１ｍｍ程度に形成する。こうして、商用交流電圧である、６０Ｈｚ、１００Ｖを用いて約９ｋＶに昇圧し、２０ｍＡで電極２ａ、２ｂ間に印加し、アルゴンをガス導入口１０ｉから導入すると、電極２ａ及び２ｂを最大２４ｃｍまで離間してもプラズマ（図１．Ａで符号Ｐを付した斜線領域）が発生した。
電極２ａ及び２ｂ間を長さ２４ｃｍとして、筒状の筐体部１０の内径を変化させたところ、内径３ｍｍ以下で安定して放電した。また、筒状の筐体部１０の内径を３ｍｍとして、電極２ａ及び２ｂ間の長さを変化させたところ、距離２４ｃｍ以下で安定して放電した。

図１．Ａのプラズマ発生装置１００において、酸素（Ｏ₂）を導入しプラズマ化することで、例えば煤を分解可能である。即ち、プラズマ発生装置１００をディーゼル排気ガスの浄化に用いうることがわかる。即ち、図１．Ａのプラズマ発生装置１００において、酸素（Ｏ₂）及び処理前排気ガス（Ｓ）をガス導入口１０ｉから導入し、電極２ａ、２ｂ間に交流電圧を印加することで、ガス噴出口１０ｏからは酸素（Ｏ₂）と、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水（Ｈ₂Ｏ）を含んだ処理済み排気ガス（Ｓ’）が得られる。

図２．Ａは本発明の具体的な他の実施例に係るプラズマ発生装置１１０の構成を示す断面図である。図２．Ｂは、図２．Ａのプラズマ発生装置１１０のプラズマ化領域Ｐの長手方向に垂直な断面図（部分図）である。

図２．Ａのプラズマ発生装置１１０は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を原料とする焼結体から成る筐体部１１を有する。筐体部１１は、図２．Ａ内左右方向にスリット状に伸びたガス導入口１１ｉ及び複数個の円筒状ガス噴出口１１ｏを有する。ガス導入口１１ｉからプラズマ化領域Ｐの直上までは、スリット幅（図２．Ａ紙面に対して前後方向、図２Ｂの左右方向）を１ｍｍとし、内径１〜２ｍｍのガス噴出口１１ｏはプラズマ化領域Ｐの長手方向に沿って一直線状に形成されている。プラズマ化領域Ｐは、長手方向に垂直な断面の一辺を２〜５ｍｍの正方形とし、長さを４ｃｍとした。電極２ａ及び２ｂは実施例１で用いたものと同じ形状のものを用いた。こうして、商用交流電圧である、６０Ｈｚ、１００Ｖを用いて約９ｋＶに昇圧し、２０ｍＡで電極２ａ、２ｂ間に印加し、アルゴンをガス導入口１１ｉから導入すると、電極２ａ及び２ｂ間を４ｃｍ迄離間しても、プラズマ化が確認された。
プラズマ発生装置１１０は、液晶表示器のガラス基板において、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）を貼付する部分を、ＡＣＦを貼付する前に洗浄することで、ＡＣＦの基板に対する接着度を向上させることができる。
また、電極２ａ及び２ｂ間を長さ４ｃｍとして、プラズマ化領域Ｐの断面の一辺の長さを変化させたところ、５ｍｍ以下で安定して放電した。また、プラズマ化領域Ｐの断面の一辺の長さを５ｍｍとして、電極２ａ及び２ｂ間の長さを変化させたところ、距離４ｃｍ以下で安定して放電した。

１．Ａは本発明の具体的な一実施例に係るプラズマ発生装置１００の構成を示す断面図、図１．Ｂは電極２ａ及び２ｂの形状の詳細を示す図。 ２．Ａは本発明の具体的な他の実施例に係るプラズマ発生装置１１０の構成を示す断面図、図１．Ｂはプラズマ化領域Ｐの長手方向に垂直な断面図（部分図）。

符号の説明

１００、１１０：プラズマ発生装置
１０、１１：筐体部
１０ｉ、１１ｉ：ガス導入口
１０ｏ、１１ｏ：ガス噴出口
２ａ、２ｂ：各々向き合った表面に凹部（ホロー）を有する一対の電極
Ｐ：プラズマ化領域
Ｈ：一対の電極２ａ及び２ｂの互いに向き合った表面に形成された凹部（ホロー）

Claims (8)

1. 大気圧プラズマ発生装置において、
   長手方向を有する柱状のプラズマ化領域を形成する絶縁体から成る筐体部と、 前記筐体部に内包される前記プラズマ化領域に、長手方向に離間して配設された１対の電極と、
   前記プラズマ化領域の長手方向とは垂直な方向からプラズマ発生用ガスを前記プラズマ化領域に導入するプラズマ発生用ガスの導入口と、
   前記プラズマ化領域の長手方向とは垂直な方向へ、前記少なくとも一部がプラズマ化したガスを噴出し、前記プラズマ化領域の長手方向に沿って配設された噴出口と
   を有することを特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
2. 前記噴出口は、前記プラズマ化領域の長手方向に沿って複数、配設されていることを特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ発生装置。
3. 前記プラズマ化領域は、長手方向の長さが、１ｃｍ以上５０ｃｍ以下であり、長手方向に垂直な断面積は、３ｍｍ² 以上２５ｍｍ² 以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の大気圧プラズマ発生装置。
4. 前記プラズマ化領域の長手方向及びガス流方向に垂直な幅は、２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置。
5. 前記筐体内部を、実質的に加圧も減圧もしない、大気圧プラズマ発生源とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置。
6. 前記１対の電極が、１ｃｍ以上５０ｃｍ以下の距離で離間して配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置。
7. 前記１対の電極の少なくとも一方には、他方の電極と対向する表面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置。
8. 前記柱状のプラズマ化領域の長手方向の長さＬｃｍと、長手方向に垂直な断面積σｍｍ²の関係は、２≦Ｌσ≦１００且つ３≦σ≦２５であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の大気圧プラズマ発生装置。

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