JP2004362890A - 放電電極 - Google Patents

Abstract

【課題】沿面放電が固体誘電体の周縁まで到達して異常放電が発生してしまうことを防ぐ放電電極を提供する。
【解決手段】互いに対向する第１の電極２１及び第２の電極２２と、前記第１の電極２１の対向面を被覆する被覆部３１０と前記被覆部３１０の外周に位置する延出部３１１とからなる固体誘電体３１と、前記第１の電極２１の周囲に設けられ、前記固体誘電体３１の延出部３１１のうち、前記第１の電極２１側の面に密着される沿面バリア４１とを備える放電電極。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用して被処理体を処理するプラズマ処理に用いられる放電電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、被処理体に安定したプラズマ処理を行うには、互いに対向する電極の対向面を固体誘電体で被覆された放電電極が用いられている。
【０００３】
このような放電電極では、一方の電極の側面部からもう一方の電極に向けてアーク放電等の異常放電が発生する恐れがある。異常放電の発生を防止するため、固体誘電体は、電極の対向面を被覆する被覆部とその被覆部の周囲に位置する延出部を有した形状となっている。
【０００４】
しかし、アーク放電の発生を防ぐためには、電極から固体誘電体の延出部の周縁までの距離を長くする必要があり、誘電体の面積に対して広い処理面積を確保することが困難であるという問題があった。
【０００５】
このような問題に対して、互いに対向する一対の電極と、それぞれの電極の対向面を被覆する固体誘電体と、電極の側面部に設けられた固体誘電体とを備えた放電電極が開示されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に記載の放電電極によれば、電極の側面部からの異常放電の発生を防ぐことができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２７９４５３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような放電電極では、電極の対向面を被覆する固体誘電体と電極の側面部に設けられた固体誘電体とが密着されていないため、沿面放電がこれらの固体誘電体の間を進展することが可能になっている。ここで、沿面放電が、固体誘電体の表面を進展してその周縁まで到達してしまうと、一方の電極に向けて異常放電が発生してしまうおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑み、沿面放電が固体誘電体の周縁まで到達することを防ぐ放電電極を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の問題点を解決するために提案されたものであり、互いに対向する第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極の対向面を被覆する被覆部と前記被覆部の外周に位置する延出部とからなる固体誘電体と、前記第１の電極の周囲に設けられ、前記固体誘電体の延出部のうち、前記第１の電極側の面に密着される沿面バリアとを備えることを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、沿面放電が固体誘電体の周縁まで到達して異常放電を発生することを防ぐことができる。
【００１１】
これらの電極間の距離は、固体誘電体の種類、プラズマを利用する目的等に応じて適宜決定されるが、１〜１０ｍｍであることが好ましい。１ｍｍ未満では電極間に被処理体を設けることが困難となり、１０ｍｍを超えると、均一なプラズマを発生することが困難になる。
【００１２】
第１の電極と第２の電極の比抵抗率は、エネルギー損失を抑えるためには比抵抗率が１０^３Ωｃｍ以下であることが好ましい。また、第１の電極と第２の電極の比抵抗率が１Ωｃｍ以下であるとエネルギー損失を抑え、より安定したプラズマを発生することができる。
【００１３】
このような第１の電極及び第２の電極電極を構成するものとしては、例えば、ステンレス、銅、アルミニウム、チタン、タングステン、真鍮等の金属や、ゴムに金属粉等の粉末導電体を配合した導電性ゴム等の導電体が挙げられる。これらの導電体は、単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
【００１４】
また、第１の電極には、この電極の対向面を被覆する固体誘電体が設けられている。この固体誘電体は、第１の対向面を被覆する被覆部と、その被覆部の外周に位置する延出部とから構成されている。
これによって、第１の電極と固体誘電体の周縁との間に所定の距離を設けることができるので、沿面放電が固体誘電体の周縁まで進展する間に沿面放電を減衰させ、沿面放電が異常放電を引き起こすことを防ぐことができる。
【００１５】
固体誘電体の形状としては特に限定されないが、例えば、板状、シート状、フィルム状等が挙げられる。
固体誘電体の厚みとしては特に限定されないが、０．０１〜４ｍｍであることが好ましい。固体誘電体の厚みが０．０１ｍｍ未満であると電圧を印加したときに絶縁破壊が起こる恐れがある。また、固体誘電体の厚みが４ｍｍを超えると、プラズマを発生するために高電圧を印加する必要がある。
【００１６】
固体誘電体の誘電率としては特に限定されないが、低電圧でも高い放電電流密度のプラズマを発生させるためには２５℃の環境下における誘電率が２以上であることが好ましく、誘電率が１０以上であることがより好ましい。
【００１７】
このような固体誘電体の材質としては、例えば、金属酸化物、ガラス、ゴム、熱可塑性樹脂等が挙げられる。
金属酸化物としては、例えば、酸化アルミニウム（誘電率：約９〜１０）、二酸化ジルコニウム（誘電率：約２５〜４０）、二酸化チタン（誘電率：約８０〜１００）等が挙げられる。
ガラスとしては、例えば、石英（誘電率：約３〜４）、二酸化ケイ素等が挙げられる。
【００１８】
また、固体誘電体の延出部には、第１の電極側の面に沿面バリアが密着されている。
固体誘電体に密着された沿面バリアは、固体誘電体との界面を電気的に絶縁状態にするものであることが好ましい。また、沿面バリアと固体誘電体との間の界面に気泡等の空気層がない状態であることが好ましい。
固体誘電体に沿面バリアが密着されていることによって、固体誘電体と沿面バリアの間の界面を沿面放電が進展することを防ぐことができる。
【００１９】
また、沿面放電は、その進展方向に沿面バリア等の段差が存在する場合は段差を乗り越えて進展しにくいという性質を有しているので、第１の電極の周囲に設けられた沿面バリアの存在によって、沿面放電が固体誘電体の周縁まで到達することを阻止することができる。
【００２０】
沿面バリアを延出部に密着させる方法としては特に限定されないが、例えば、粘着、圧着、接着、融着等による方法が挙げられる。
【００２１】
沿面バリアは、第１の電極の周囲に設けられている。
沿面バリアが設けられる位置としては特に限定されないが、第１の電極と離れた位置であることが好ましい。沿面バリアと第１の電極とが離れた位置関係にあることによって、沿面放電が沿面バリアに到達するまでに減衰させることができるので、沿面放電が沿面バリアを乗り越えて進展することを防ぐことができる。
【００２２】
また、沿面バリアは、第１の電極の周囲を取り囲んで設けられていることが好ましい。これによって、沿面放電が進展する方向に関係なく、沿面放電が固体誘電体の周縁まで到達することを防ぐことができる。
ここで、沿面バリアが第１の電極の周囲を取り囲んで設けられていない場合、第１の電極と固体誘電体の周縁との距離が短い所に沿面バリアが設けられていることが好ましい。
【００２３】
また、沿面バリアの形状としては特に限定されないが、その断面形状が沿面放電の進展方向に対して窪んだ形状であってもよい。沿面電流の進展方向に対して窪んだ形状としては、例えば、コの字型、逆台形型、逆三角形型、Ｔ字型等が挙げられる。
沿面バリアの断面形状が窪んでいることによって、沿面放電が沿面バリアを乗り越えて進展することを防ぐことができる。
【００２４】
沿面バリアを構成する材質としては、沿面放電の進展を防ぐことができるものであれば特に限定されないが、例えば、粘土（誘電率：約２〜４０）、金属酸化物、ガラス、樹脂組成物等が挙げられる。
金属酸化物としては、例えば、酸化アルミニウム（誘電率：約９〜１０）、二酸化ジルコニウム（誘電率：約２５〜４０）、二酸化チタン（誘電率：約８０〜１００）
ガラスとしては、例えば、石英（誘電率：約３〜４）、二酸化ケイ素等が挙げられる。
樹脂組成物としては、例えば、フッ素樹脂（誘電率：約２〜３）、ポリイミド樹脂等（誘電率：約３〜４）が挙げられる。
また、これらの材質は、沿面放電が沿面バリアを超えて進展することを防ぐために固体誘電体の誘電率以下の誘電率を有するものが好ましい。
【００２５】
本発明の放電電極は、第１の電極及び第２の電極の間に電圧を印加することによって、第１の電極と第２の電極との間の空間の放電空間にプラズマを発生する。
プラズマが発生する放電空間とは、具体的には、第２の電極に固体誘電体を備えていない場合は、第２の電極に設けられた固体誘電体と第１の電極との間の空間であり、第２の電極に固体誘電体を備えている場合は、第１の電極と第２の電極のそれぞれに設けられた固体誘電体間の空間と、第１の電極と第２の電極との間の空間の共通する空間である。
【００２６】
第１の電極及び第２の電極に印加される電圧はパルス化された電圧であることが好ましい。パルス化された電圧を印加することによって、大気圧近傍の圧力下でも安定したプラズマを容易に発生させることができる。
【００２７】
本発明の放電電極を用いたプラズマ処理装置は、プラズマが発生する放電空間に存在する気体（以下、処理用ガスという。）を選択することによって任意の処理を被処理体に行うことができる。
【００２８】
このような処理用ガスとしては、例えば、被処理体表面を撥水性表面とするにはフッ素含有化合物ガス等が用いられ、被処理体表面を親水性表面とするには酸素元素含有化合物ガス、窒素元素含有化合物ガス、硫黄元素含有化合物ガス等が用いられる。また、被処理体表面に電気的特性や光学的特性を付与させるために金属含有化合物ガス等が用いられる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の一例を図面に基づいて説明する。
本発明の放電電極を用いたプラズマ処理装置の模式的斜視図を図１に示し、本発明の放電電極の断面図を図２に示す。
【００３０】
図１に示すプラズマ処理装置は、電極２１、２２等からなる放電電極１、電源７１、ガス導入口６２、及びガス排出口６３等を備えている。
【００３１】
放電電極１は、上部電極（第１の電極）２１、下部電極（第２の電極）２２、石英板（固体誘電体）３１、３２等から形成されている。上部電極２１の対向面には石英板３１が設けられており、下部電極２２の対向面には石英板３２が設けられている。また、上側の石英板３１と下側の石英板３２との間の空間と、上部電極２１と下部電極２２とが対向する空間との共通の空間に放電空間５０が形成される。
【００３２】
石英板３１の両端には、放電空間５０を挟むようにガス導入口６２とガス排出口６３とが設けられている。ガス導入口６２、ガス排出口６３はそれぞれ放電空間５０の方を向いており、効率的に処理用ガスの導入及び排出を行うことができる。
【００３３】
ガス導入口６２には、ガスボンベ６０と接続されているガス供給管が設けられている。また、ガス排出口６３には、吸引ポンプ６５と接続されているガス排出管６４が設けられている。
【００３４】
ガスボンベ６０には処理用ガスが充填されている。処理用ガスは、ガス供給管６１を経てガス導入口６２から放電空間５０に供給される。この際、処理用ガスは、流量が調整された状態で供給される。
放電空間５０に供給された処理用ガスは、吸引ポンプ６５の吸引によって、放電空間５０を経てガス排出口６３から排出される。
【００３５】
また、プラズマ処理装置は、ローラー状のコンベア（図示しない）をガス導入口６２の外部とガス排出口６３の外部に備えている。コンベアは、プラズマ処理装置によって処理される被処理体を、ガス導入口６２側から放電空間５０を経てガス排出口６３側に搬送することができる。
【００３６】
放電電極１について詳細に説明する。
放電電極１は、上部電極２１（第１の電極）、下部電極（第２の電極）、石英板（固体誘電体）３１、３２、及び粘土（沿面バリア）４１とを備えている。
【００３７】
上部電極２１（ステンレス製、Ｌ６０ｍｍ×Ｗ２８０ｍｍ×ｔ２０ｍｍ）と下部電極２２（ステンレス製、Ｌ６００ｍｍ×Ｗ３００ｍｍ×ｔ２０ｍｍ）とはそれぞれ平板状の形状をなしており、上部電極２１と下部電極２２とが互いに対向して平行に配置されている。上部電極２１は電源７１と接続され、下部電極２２は接地されている。
また、それぞれの電極２１、２２には、図示しない温度調節装置によって５０℃に保たれている。
【００３８】
上部電極２１の対向面には、シリコーン樹脂を介して平板状の石英板３１（Ｌ８０ｍｍ×Ｗ３００ｍｍ×ｔ１ｍｍ：誘電率３）が設けられており、上側の石英板３１によって上部電極２１の対向面が被覆されている。
【００３９】
上側の石英板３１は、上部電極２１の対向面を被覆する被覆部３１０とともに、被覆部３１０の周囲に位置する延出部３１１を有している。
石英板３１は、上部電極２１の対向面の面積よりも大きな面積を有しており、延出部３１１が上部電極の対向面の周縁から突出している。また、延出部３１１は、被覆部３１０の周囲を取り囲んでおり、被覆部３１０が延出部３１１の内側に位置している。
延出部３１１が被覆部３１０の周囲を取り囲んでいることによって、沿面放電が周縁３１２に到達するまでの間に沿面放電を減衰させることができる。
なお、被覆部３１０の周囲から延出部３１１の周縁３１２までの距離は１０ｍｍとなっている。
【００４０】
下部電極２２の対向面には、シリコーン樹脂を介して平板状の石英板３２（Ｌ６１０ｍｍ×Ｗ３１０ｍｍ×ｔ１ｍｍ：誘電率３）が設けられており、下側の石英板３２によって下部電極２２の対向面が被覆されている。
【００４１】
下側の石英板３２は、上側の石英板と同様に、下部電極２２の対向面を被覆する被覆部３２０、及び被覆部３２０の周囲を取り囲む延出部３２１を有している。なお、被覆部３２０の周囲から延出部３２１の周縁３２２までの距離は５ｍｍである。
【００４２】
また、電極２１、２２の形状は、石英板と接している対向面から側面部にかけて半径１ｍｍで面取りされて曲面状になっている。電極２１、２２が面取りされていることによって、沿面放電の発生部位５１と石英板３１の周縁３１２との距離ｘ及び沿面放電の発生部位５２と石英板３２の周縁３２２との距離ｙをそれぞれ長くすることができるので、沿面放電が石英板の周縁まで進展する間に沿面放電を減衰させ、沿面放電が異常放電を引き起こすことを防ぐことができる。
【００４３】
フッ素樹脂からなる絶縁テープ４２、４３が電極２１、２２と石英板３１、３２との両方にまたがるように密着されている。絶縁テープが密着されていることによって、沿面放電の発生部位５１、５２を覆うことができるので、沿面放電の発生を防ぐことができる。
【００４４】
石英板３１の延出部３１１には、断面三角形（底辺５ｍｍ、高さ５ｍｍ）の粘土４１が密着され、延出部３１１と粘土４１との間に気泡等の空気層が存在しない状態になっている。空気層の有無の確認は、石英板３１が透明の場合、粘土４１が設けられる面と反対側の面からの目視によって行うことができる。
【００４５】
粘土４１は、上部電極２１側の面上に、延出部３１１の周縁３１２に沿って設けられており、上部電極２１取り囲んでいる。
粘土４１が上部電極２１を取り囲んでいることによって、沿面放電が進展する距離を長くすることができるので、沿面放電が延出部３１１の周縁３１２に到達することを防ぐことができる。
【００４６】
粘土４１は、上部電極２１と間隔を空けて設けられている。上部電極２１と粘土４１との間に間隔が設けられることによって、沿面放電が粘土４１まで進展する間に沿面放電を減衰させることができるので、沿面放電が粘土４１を乗り越えて進展することを防止することができる。
また、粘土４１の誘電率は、石英板の誘電率よりも低い２．９となっているので、沿面放電が粘土４１を乗り超えて進展しにくくなっている。
【００４７】
プラズマ処理装置によるプラズマ処理方法を説明する。
放電空間５０に処理用ガスが供給された状態で、上部電極２１と下部電極２２との間に電源７１からのパルス電圧を印加する。パルス電圧の印加によって、放電空間５０にプラズマが発生する。このプラズマによって放電空間５０に供給された処理用ガスが励起状態となる。
このとき、コンベアによって搬送される被処理体８は、放電空間５０を通過する際に励起状態の処理用ガスによって表面処理される。また、被処理体８はコンベアで搬送されながら表面処理されるので、プラズマ処理装置は連続的に表面処理を行うことができる。
【００４８】
本発明の放電電極は、上記の実施例に限られず、種々の改変をすることができる。
例えば、第２の電極２２の対向面に延出部を有する固体誘電体が設けられていてもよく、沿面バリアは電極の周囲を何周も取り囲むように設けられていてもよい。
更に、電極２１、２２の間に発生させたプラズマを処理用ガスの吹き付けによって放電空間５０の外部に位置する被処理体８の表面に表面処理を施してもよい。
【００４９】
【実施例】
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
【００５０】
（実施例１）
上記の実施形態において、処理用ガスを窒素ガスとし、窒素ガスを２０ＳＬＭの流量で放電空間に導入した状態で、被処理体としての銅箔（厚さ２５μｍ、２５０×５００ｍｍ）を５００ｍｍ／ｍｉｎで搬送させながら、ステンレス電極２１、２２間に２０ｋＨｚ、１８ｋＶのパルス電圧の印加を行ってプラズマを発生させ、銅箔の表面処理を行った。
【００５１】
（比較例１）
実施例１において、第１の電極に設けられた石英板３１に粘土４１が設けられていないこと以外は実施例１と同様にして銅箔の表面処理を行った。
【００５２】
放電確認
実施例１及び比較例１で用いたプラズマ処理装置において、放電電極からのプラズマの発生状況を目視で観察した。
実施例１の放電電極は、放電空間５０のみに安定したプラズマを発生していたのに対し、比較例１の放電電極では、石英板３１の周縁から対向する側の石英板３２の方に向けて異常放電を発生してしまった。
【００５３】
接触角評価
実施例１及び比較例１で処理された銅箔の非処理面に水滴２μｌを滴下し、接触角測定装置（協和界面科学社製、商品名「ＣＡ−Ｘ１５０」）を用いて静的接触角を測定した。
実施例１で処理された銅箔では、処理前の水の接触角が１１５°であるのに対して処理後の接触角が５°となったことから、良好な親水化処理が行われていることが確認された。一方、比較例２で処理された銅箔では、異常放電が発生したために銅箔の親水化処理を行うことができなかった。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、沿面バリアが固体誘電体の延出部に密着され、沿面バリアが第１の電極の周囲に設けられているので、沿面放電が固体誘電体の周縁まで到達することを防ぐことができる。
【００５５】
また、沿面バリアが固体誘電体の周囲を取り囲むように設けられていると、沿面放電がどの方向に進展しても沿面放電が異常放電を引き起こすことを防ぐことができる。
さらに、沿面バリアは、その誘電率が前記固体誘電体の誘電率以下のものであると、沿面放電が沿面バリアを超えて進展することを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電電極を用いたプラズマ処理装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の放電電極の断面図である。
【符号の説明】
１ 放電電極
２１、２２ 電極
３１、３２ 固体誘電体
３１０、３２０ 被覆部
３１１、３２１ 延出部
３１２ 周縁
４１ 沿面バリア
５０ 放電空間
６０ ガス供給源
６１ ガス供給管
６２ ガス導入口
６３ ガス排出口
６４ ガス排出管
７１ 電源
８ 被処理体

Claims (3)

1. 互いに対向する第１の電極及び第２の電極と、
   前記第１の電極の対向面を被覆する被覆部と前記被覆部の外周に位置する延出部とからなる固体誘電体と、
   前記第１の電極の周囲に設けられ、前記固体誘電体の延出部のうち、前記第１の電極側の面に密着される沿面バリアと
   を備えることを特徴とする放電電極。
2. 前記第１の電極が、前記沿面バリアによって取り囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の放電電極。
3. 前記沿面バリアの誘電率が、前記固体誘電体の誘電率以下であることを特徴とする請求項１に記載の放電電極。

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