JP2006503406A - 大気圧グロー放電プラズマを発生させるための方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
− APGプラズマに与えられるパワー。これは印加電圧およびプラズマ電流から計算される。
− 照射非均一性(exposure non-uniformity)。これは表面への照射(exposure)の統計的分布に基づく。
− 最小照射時間(minimum time of exposure)。ここで、表面の99%は、少なくとも1J/cm2(考慮される照射の統計的変動)の表面プラズマエネルギー線量にさらされる。
上述の照射非均一性パラメータおよび最小照射時間は、以下で更に詳細に説明される。
照射が短時間であることは、高速な線速度の使用と、“中間”のサイズ(L=10-20cm)のAPG反応炉の使用を可能にする。処理されるべき材料の表面で最大表面エネルギーに達するために必要とされるエネルギー線量は、理解できるように、多くの要因に依存し、それは表面および材料の特性である。1J/cm2のエネルギー線量での大気圧グロープラズマ処理は最大表面エネルギーに達するのに十分である。しかしながら、ポリエチレン(PE)のような或るタイプの高分子化合物(polymer)とゼラチンとの間の許容し得る密着性を得るためには、50ないし100mJ/cm2の間のエネルギー線量で既に十分である。
この場合、トナーが形成するスポットのサイズと、トナーが形成するスポット間の距離との比dは、次のように表される。
US6299948では、窒素ガス中で、AC電圧と周波数との適切な組み合わせにより均一なプラズマを発生させるための方法が開示されている。使用される周波数範囲は、200Hzないし35kHzであり、15kHz以下の周波数を優先的に使用し、且つ、その範囲における印加電圧の振幅は5ないし30kVである。
本発明は、その多くの実施例を述べることにより説明され、その実施例は、(他の実施例の中から)実験室環境において試験された。
第1の例では、速度が2m/sの室温のアルゴンを、印加電圧の振幅が1.4kVの放電空間に与えることにより、大気圧グロー放電プラズマが発生される。両方の電極は、100マイクロメーターの厚さのポリエチレンナフタレート(polyethylene-naphtalate)から成る誘電体材料で覆われている。(一般には放電空間を形成する)電極間の空隙距離(gap distance)は1mmである。LCマッチング回路が本プラズマ装置に組み込まれている。測定結果を以下の表にリストアップして示す。
第2の例では、大気圧グロー放電プラズマは、印加電圧の振幅が4.5kVでの放電空間に2m/sの速度で窒素ガス(N2)を与えることにより発生された。両方の電極は、100μmの厚さを有するポリエチレンナフタレート(PEN)から成る誘電体材料で覆われている。(典型的には放電空間を形成する)電極間の空隙距離は1mmである。LCマッチング回路が本プラズマ装置に組み込まれている。測定結果は、以下の表にリストアップされると共に、図4のグラフに表されている。再び、APGプラズマに投入されるパワーP 28、照射非均一性パラメータδD 29、および最小照射時間tminim 30が示されている。
第3の例では、大気圧グロー放電プラズマは、印加電圧の振幅が4.5kVでの放電空間に2m/sの速度で空気を与えることにより発生された。両方の電極は100μmの厚さを有するポリエチレンナフタレート(PEN)から成る誘電体材料で覆われている。(典型的には放電空間を形成する)電極間の空隙距離は1mmである。LCマッチング回路が本プラズマ装置に組み込まれている。測定結果は、以下の表にリストアップされると共に、図5に表されている。再び、APGプラズマに投入されるパワーP 31、照射非均一性パラメータδD 32、および最小照射時間tminim 33が示されている。
約280kHzの周波数での測定例として、図6は、電極に印加されるAC電圧と、本発明による方法または装置を用いて発生されたプラズマの電流の図である。この特定の例では、使用された搬送ガスは流速が2m/sのアルゴンであり、空隙距離は2mmである。プラズマ電流は実線で示され、印加電圧は点線で示されている、
3 基質フィルム
4,5 電極
6 ガス流
7 プラズマ
8 AC電源
9 グランド
10 放電空間
Claims (46)
- 大気圧グロー放電プラズマ(APG)を発生させる方法であって、複数の電極が、前記プラズマを形成するための放電空間を規定するように配置され、前記電極は電源に接続されると共に該電極にはAC電圧が印加され、且つガス状の物質が前記放電空間に供給され、前記電極に印加される前記AC電圧は少なくとも前記ガス状の物質のブレークダウン電圧に等しい振幅を有すると共に少なくとも50kHzの周波数を有し、且つ前記ガス状の物質は、実質的に、アルゴン、窒素、および空気から成るグループのうちの少なくとも一つから成る方法。
- 前記AC電圧の振幅は、前記ブレークダウン電圧の約140%以下である請求項1記載の方法。
- 前記AC電圧の振幅は、前記ブレークダウン電圧の110%ないし120%である請求項2記載の方法。
- 前記ガス状の物質の温度は、100℃よりも低い請求項1ないし3の何れか1項記載の方法。
- 少なくとも一つの更なるガスが、前記放電空間における前記ガス状の物質に供給される請求項1ないし4の何れか1項記載の方法。
- 少なくとも、
前記更なるガスの濃度が少しずつ段階的に増加されるように、前記プラズマを実質的に安定化させた後に前記更なるガスを前記放電空間に供給するステップと、
前記更なるガスの前記濃度の各段階的増加の後に前記AC電圧を調整することにより前記プラズマを安定化させるステップと
を含む請求項5記載の方法。 - 前記少なくとも一つの更なるガスは、容積で多くとも50%の濃度で前記ガス状の物質に供給される請求項5および6の何れか1項記載の方法。
- 前記濃度は、容積で多くとも20%である請求項7記載の方法。
- 前記放電空間における前記ガス状の物質に供給される前記少なくとも一つの更なるガスは、O2、CO2、NH3、SiH4のような共通先駆ガス、炭化水素、TEOSおよびHMDSOのような有機ケイ素、または有機金属およびそれらの組み合わせのグループのうちの少なくとも一つからなる請求項5ないし8の何れか1項記載の方法。
- 前記放電空間に供給される前記ガス状の物質は、前記放電空間を貫流されてガス流を確立する請求項1ないし9の何れか1項記載の方法。
- 前記ガス流は、1l/minないし50l/minの範囲の流速を有する請求項10記載の方法。
- 前記ガス流の速度は、0.1−10m/sの範囲である請求項10および11の何れか1項記載の方法。
- 前記ガス流の速度は、1−5m/sの範囲である請求項12記載の方法。
- 前記AC電圧は、1MHzよりも小さな周波数を有するように選択された請求項1ないし13の何れか1項記載の方法。
- 前記AC電圧の前記周波数は、100kHzないし700kHzの範囲内に選択された請求項14記載の方法。
- 高分子フィルムを処理するために使用される請求項1ないし15の何れか1項記載の方法であって、前記放電空間における前記可塑性の高分子フィルムの滞留時間は、該可塑性の高分子が該可塑性高分子フィルムのガラス転移温度よりも低い温度に維持されるように選択される方法。
- 前記滞留時間は、前記放電空間を通して前記フィルムを移動させると共に前記フィルムの速度を制御することにより制御される請求項16記載の方法。
- 高分子フィルムを処理すると共に前記グロープラズマを維持するために使用される請求項1ないし17の何れか1項記載の方法であって、前記AC電圧の振幅は、前記放電空間の温度が、前記フィルムの処理の期間中、前記熱可塑性の高分子フィルムのガラス転移温度よりも低く維持されるように選択される方法。
- 前記熱可塑性の高分子フィルムは、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)および同様の熱可塑性高分子から成るグループのうちの少なくとも一つを含む請求項16ないし18の何れか1項記載の方法。
- 前記電極の少なくとも一つは、誘電体材料のフィルムで覆われた請求項1ないし19の何れか1項記載の方法。
- 前記誘電体材料のフィルムは、1μmないし1000μmの範囲における厚さを備えるように選択された請求項20記載の方法。
- 前記厚さは、250μmないし500μmの範囲内である請求項21記載の方法。
- 前記電極の少なくとも二つは、100μmないし5000μmの範囲内の距離を隔てて互いに離間して配置された請求項1ないし22の何れか1項記載の方法。
- 前記距離は、250μmないし1500μmの範囲内に選択された請求項23記載の方法。
- 電圧立ち上がり時間は、前記AC電圧がゼロから始めてその最大値に到達する最短時間間隔を規定し、前記AC電圧の前記電圧立ち上がり時間は、0.1ないし10kV/μsの範囲である請求項1ないし24の何れか1項記載の方法。
- 前記プラズマを通る電流密度は、10mA/cm2よりも小さい請求項1ないし25の何れか1項記載の方法。
- 前記プラズマを用いた化学的気相成長処理で前記放電空間における基質を処理するために使用される請求項1ないし26の何れか1項記載の方法。
- 大気圧グロー放電プラズマ(APG)を発生させるための装置であって、放電空間を規定するように配置された複数の電極を備え、さらに、前記電極にAC電圧を印加するための手段と、前記放電空間にガス状の物質を供給するための手段とを備え、前記電極にAC電圧を印加するための前記手段は、少なくとも前記ガス状の物質のブレークダウン電圧に等しい振幅を有すると共に少なくとも50kHzの周波数を有するAC電圧を供給するために配置され、且つ、前記放電空間にガス状の物質を供給するための前記手段は、実質的に、100℃よりも低い温度を有する空気、窒素、およびアルゴンから成るグループのうちの少なくとも一つを供給するために配置された装置。
- AC電圧を印加するための前記手段は、前記ブレークダウン電圧の140%以下の振幅を有するAC電圧を供給するために配置された請求項28記載の装置。
- ガス状の物質を供給するための前記手段は、前記放電空間における前記ガス状の物質に少なくとも一つの更なるガスを供給するために配置された請求項28または39の何れか1項記載の装置。
- ガス状の物質を供給するための前記手段は、少なくとも一つの更なるガスの濃度が段階的に調整可能なような、前記少なくとも一つの更なるガスを供給するために更に配置された請求項30記載の装置。
- 前記少なくとも一つの更なるガスは、O2、CO2、NH3、SiH4のような共通先駆ガス、炭化水素、TEOSおよびHMDSOのような有機ケイ素、または有機金属およびそれらの組み合わせのグループのうちの一つから成る請求項30または31の何れか1項記載の装置。
- 前記放電空間を通して前記ガス状の物質を流すための手段を備えた請求項28ないし31の何れか1項記載の装置。
- 前記放電空間を通して前記ガス状の物質を流すための前記手段は、1l/minないし50l/minの範囲内の流速を有する流れを確立するために配置された請求項32記載の装置。
- 前記放電空間を通して前記ガス状の物質を流すための前記手段は、0.1−10m/sの範囲内の流速を有する流れを確立するために配置された請求項34記載の装置。
- 高い周波数のAC電圧を印加するための前記手段は、50kHzないし1MHzの範囲内の周波数を有する電圧を印加するために配置された請求項28ないし35の何れか1項記載の装置。
- 前記電極の少なくとも一つは、前記プラズマによって処理されるべき熱可塑性の高分子フィルムを支持するために配置された請求項28ないし36の何れか1項記載の装置。
- 前記熱可塑性の高分子フィルムの前記ガラス転移温度よりも低い温度に前記フィルムが維持されるような前記フィルムの滞留時間のための速度で、前記放電空間を通して前記熱可塑性の高分子フィルムを移動させるために配置された手段をさらに備えた請求項37記載の装置。
- AC電圧を印加するための前記手段は、前記放電空間の温度が、前記フィルムの処理中、前記熱可塑性の高分子フィルムのガラス転移温度よりも低い状態を保つような振幅を有するAC電圧を供給するために配置された請求項37または38の何れか1項記載の装置。
- 前記電極の少なくとも一つと接触する誘電体材料のフィルムを備えた請求項28ないし39の何れか1項記載の装置。
- 前記誘電体材料のフィルムは、1μmないし1000μmの範囲の厚さを有する請求項40記載の装置。
- 前記放電空間は、前記電極間の間隔によって規定される寸法を有し、前記寸法は、0.1mmないし5mmの範囲内である請求項28ないし41の何れか1項記載の装置。
- 前記AC電圧がゼロから始めてその最大値に到達する最短時間間隔を調整するために配置され、前記調整が少なくとも0.1ないし10kV/μsの範囲で実施される請求項28ないし42の何れか1項記載の装置。
- 10mA/cm2よりも下の範囲で前記プラズマを通る電流密度を調整するために配置された請求項28ないし43の何れか1項記載の装置。
- 前記プラズマを安定化させるために配置された電流チョークコイルを備えた請求項28ないし44の何れか1項記載の装置。
- 前記装置は、前記プラズマを用いて前記放電空間における基質上で化学的気相成長処理を実施するために配置された請求項1ないし45の何れか1項記載の装置。
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