JP2007059108A

JP2007059108A - 大気圧プラズマ素子

Info

Publication number: JP2007059108A
Application number: JP2005240584A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Tokumura; 勝也徳村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】放電プラズマにより励起された処理対象ガスを分解・合成・改質可能とし、ドライ洗浄装置やオゾン発生装置として使用可能にした大気圧プラズマ素子を提供する。
【解決手段】大気圧雰囲気中で処理対象ガスを流通可能とした筒状誘電体部材２の外周壁に電極を付設して外部電極６とし、該筒状誘電体部材２の内部に配され、螺旋状に正回転する第１羽根部分３、螺旋状に逆回転する第２羽根部分４とを交互に長手方向に延設してそれぞれを内部電極７とし、処理対象ガスと酸素を筒状誘電体部材２内で剪断力を受けて分割及び合流を繰り返すことにより両者が攪拌混合すると同時に両電極間６、７に高周波・高電圧を印加して放電プラズマを誘起することで筒状誘電体部材２内側の処理対象ガスの分解・合成・改質を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電プラズマにより励起された処理対象ガスを分解・合成・改質可能とし、更にドライ洗浄装置やオゾン発生装置として使用可能にした大気圧プラズマ素子に関する。

従来、プラズマを利用した洗浄装置としては、特許文献１に開示されているように、チャンバー内に供給された処理対象ガス中にプラズマを発生させ、該プラズマによって形成された処理対象ガスのラジカルやイオンを基板上に衝突（スパッタリング）させる技術がある。また、特許文献２に開示されているように、電磁放射発生源を有する反応室内に、基板を配置させると共にプラズマ発生ガスを導入させ、電磁放射にプラズマ発生ガスを暴露させて、基板表面に接触するプラズマを発生させ、該プラズマを操作圧力で維持するものとした技術がある。
特開平５−１２１３８６号公報特開２００３−１２４６１０号公報

しかしながら、従来におけるプラズマを利用した洗浄装置では、基板や電磁放射発生源等を配置させるために、チャンバー・反応室内のスペースを十分に広くする必要があり、高圧電源の制御や操作圧力の制御が非常に困難なものとなる。しかも、製作費用も格段に高くなってしまう。更に、処理対象ガスの濃度が増加すると放電分解効率が低下し、また、放電分解処理において酸素の供給量が少なくなれば、副生成物は重合反応等が進行し、臭気の強い生成物が多数発生してしまう虞れが有る。

そこで、本発明は叙上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、処理対象ガスの濃度が増加しても放電分解効率を上げることができ、また、放電分解処理において酸素供給を可能にすることで副生成物の重合反応を阻止でき、しかも低コストで連続稼働させることができると共に、処理対象ガスへの酸素供給量を増加させて、ラジカル化又はイオン化反応を促進させることができるものとなり、これによって放電プラズマにより励起された処理対象ガスを分解・合成・改質可能とし、更にドライ洗浄装置やオゾン発生装置として使用可能にした大気圧プラズマ素子を提供することを目的とする。

本発明にあっては、大気圧雰囲気中で処理対象ガスを流通可能とした筒状誘電体部材の外周壁部に外部電極を付設し、該筒状誘電体部材の内部に配され、互いに連設された螺旋状に時計回り方向に正回転する第１羽根部分、螺旋状に反時計回り方向に逆回転する第２羽根部分とを交互に長手方向に延設してそれぞれを内部電極とし、処理対象ガスと酸素を筒状誘電体部材内側で剪断力を受けて分割及び合流を繰り返すことにより両者が攪拌混合されると同時に両電極間に高周波・高電圧を印加させることで筒状誘電体部材内側の処理対象ガスを分解・合成・改質可能としたことを特徴とする。

また、前記第１羽根部分、第２羽根部分それぞれは、当該両羽根部分間に境界部を設けて筒状誘電体部材の長手方向に沿って交互に一体成形して成るか若しくは予め分割形成された両羽根部分を交互に溶接又はロー付結合して成るものとし、該境界部は、前記両羽根部分それぞれの端部が直交するように捩られて形成して成ることを特徴としている。

更に、処理対象ガスのキャリアガスとして大気を利用したものを特徴としている。

また、プラズマ素子の上流に処理対象ガスに酸素を供給する酸素供給源を接続し、放電プラズマ反応と同時進行して該処理対象ガスは酸素とのプラズマ反応により酸化分解処理が行なわれることを特徴としている。

更に、前記筒状誘電体部材内側での放電プラズマにより励起されラジカル状となった供給ガスを処理対象基板表面に吹き付けてドライ表面処理を可能にするプラズマ処理装置として使用可能にしたことを特徴としている。

また、前記大気圧プラズマ素子をオゾン発生装置として使用可能にしたことを特徴としている。

本発明によれば、処理対象ガスの濃度が増加しても放電分解効率を上げることができ、また、放電分解処理において酸素供給を均一且つ増加可能とすることで副生成物の重合反応を阻止でき、しかも低コストで連続稼働させることができると共に、処理対象ガスへの酸素供給量を増加させて、ラジカル化又はイオン化反応を促進させることができるものとなり、これによって放電プラズマにより励起された処理対象ガスを容易に分解・合成・改質することができる。

また、従来のような基板や電磁放射発生源等を配置させるための広いスペースを有するチャンバー・反応室等を必要とせず、また、高圧電源の制御や操作圧力の制御等が不要となるため、大気圧プラズマ素子自体を容易且つ安価に製造することができる。

以下、本発明を実施する最良の形態を図面を参照して説明する。本発明に係る大気圧プラズマ素子１は、触媒電極或いは触媒材料を表面処理した内部電極を石英ガラス管内に設置し、該石英ガラス管外周に設置された外部電極間に高周波・高電圧を印加し、該石英ガラス管内壁と内部電極間に非平衡プラズマを誘発させて処理対象ガスをプラズマと接触させることにより、当該処理対象ガスをプラズマ励起と触媒活性の相乗効果で分解するチューブ型プラズマユニット反応器を使用している。

石英ガラス管外周の外部電極とガラス管内の内部電極との具体的な構成としては、図１に示すように、大気圧プラズマ素子１は、キャリアガスとして大気を利用し、例えば、処理対象ガスであるトルエン、キシレン等ＶＯＣ（揮発性有機化合物）ガスを長手方向に沿って通流させる石英ガラスより形成した筒状誘電体部材２内部に、時計回り方向に螺旋状に正回転して１８０°回転する第１羽根部分３と、反時計回り方向に逆回転して１８０°回転する第２羽根部分４とがその先端部が筒状誘電体部材２の内壁にほぼ接するような状態で長手方向に交互に配設され、第１羽根部分３と第２羽根部分４との境界部には必要に応じて孔部５が設けられ、当該境界部を第１羽根部分３の端部と第２羽根部分４の端部とが約９０°の角度で直交するように捩られることで、第１羽根部分３及び第２羽根部分４により筒状誘電体部材２内が２個の流路に仕切られて成る攪拌式の静止型流体混合機として形成されている。

また、該静止型流体混合機なる筒状誘電体部材２の外周壁に電極６を付設して外部電極とすると共に、第１羽根部分３及び第２羽根部分４それぞれに内部電極７を付設するかもしくは両羽根部分３、４自体を内部の電極部材によって形成するかして筒状誘電体部材２内側の両電極６、７間をプラズマ反応スペースとしている。プラズマは時間経過と共に筒状誘電体部材２の内側空間全体に広がってくる。上記外部電極は石英ガラス管の外周壁に設けるので容易に付設することができる。そして、両電極６、７間に１０〜１００ｋＨｚ、５〜２０ｋＶの範囲にあるパルス型の高周波・高電圧電源８により非平衡プラズマを誘発させ、処理対象ガスを酸素と共に筒状誘電体上流の内側に導入し、プラズマと接触させることで処理対象ガスの酸化分解処理が行なわれた後、筒状誘電体部材２の端部開放側から排出されるものとしている。

上記第１羽根部分３及び第２羽根部分４よりなる内部電極７により、処理対象ガスであるトルエン、キシレン等ＶＯＣガスとキャリアガスを流路内で旋回させると同時に、流路内で剪断力を受けて分割及び合流を繰り返すことで当該キャリアガスと処理対象ガスとが効率良く攪拌混合され、プラズマ反応と酸化反応とが同時進行することになる。更に、内部電極７の構造により、流量を大幅に増加させることができる。従って、放電プラズマによる酸化分解処理能力が大幅に高められるものとなる。

そして、図１に示すように、筒状誘電体部材２内側での放電プラズマによる励起によってラジカル化した窒素、アルゴン、ヘリウム等不活性ガスの励起対象ガスを筒状誘電体部材２の端部開放側から放出させ、これを基板Ｐ表面に吹き付けて、当該基板Ｐ表面の有機物を二酸化炭素及び水に変えてガス化してドライ洗浄を可能にするプラズマ洗浄装置として使用可能にしている。

また、プラズマ素子上流側に、不図示の酸素供給源を接続することにより、処理対象ガスに酸素を供給するようにしても良い。この酸素供給手段としては図１に示す筒状誘電体部材の内部に第１羽根部分と第２羽根部分とを交互に構成した構造のものが最適である。また、パルス型高周波・高電圧電源８を使用する替わりに、他の電源を使用することも可能である。更に、上記した両電極６、７を長さ１ｍ程度としたチューブ型プラズマユニット反応器を並列に適数個設置すると効率は増加し実用性に富むものとなる。

また、大気圧プラズマ素子１における両羽根部分３、４の他例としては、第１羽根部分３と第２羽根部分４とを必要に応じて大きく形成し、孔部を設けずに第１羽根部分３と第２羽根部分４とを交互に連結した構成としても良い。このとき、第１羽根部分３と第２羽根部分４とを一体で製造しても良く、或いはこれらを予め分割して製造しておいてから後に相互を溶接又はロー付結合しても良い。例えば、第１羽根部分３及び第２羽根部分４それぞれのエレメントとして、長方形の板を１８０度捩った形状とし、捩れの方向により、右エレメントと左エレメントとを形成する。これら両エレメントの寸法は直径に比して約１．５倍の長さを有することを基本とする。

また、上記した静止型流体混合機による攪拌混合原理としては、一つのエレメントを通過する毎に二分割される（分割数Ｎ＝２のｎ（エレメント数）乗）分割作用と、エレメント内の捩れ面に沿って筒状誘電体部材２中央部から壁部へ、また壁部から中央部へと並び替える転換作用と、１エレメント毎に捩れ方向が替わり、急激な慣性力の反転を受けて乱流攪拌される反転作用それぞれにより２流体を効果的に混合するものである。
一般に、筒状誘電体部材２内を層流状態となって流れる流体は、壁面との粘性力により壁面位置よりも中央位置の方が速く流れるため、流動中に不均一になり易いのであるが、上記した混合原理に基づけば、筒状誘電体部材２内を流れる流体は半径方向に均一化（半径方向に沿っての速度勾配がゼロ）させるものとなる。また、このような大気圧プラズマ素子１は、低消費電力でのプラズマ処理が可能で、熱交換効率や流体のラジカル化効率も大幅に向上する。更に、インライン型連続反応器としても優れた効果を発揮する。

また、本発明に係る大気圧プラズマ素子１をオゾン発生装置として使用したり、或いは処理対象ガスの分解以外に、処理対象ガスの合成・改質装置として使用しても良い。

次に、以上のように構成された最良の形態についての使用、動作の一例を説明する。図１に示すように、筒状誘電体部材２の上流側からＶＯＣガス等の処理対象ガスをキャリアガスである大気と共にプラズマ素子に導入する。

そして、キャリアガスとＶＯＣ等の処理対象ガスとを筒状誘電体部材２の流路内で旋回させると同時に、流路内で剪断力を受けて分割及び合流を繰り返すことで当該キャリアガスと処理対象ガスとが効率良く攪拌混合される。

これと同時に、プラズマ素子の両電極６、７間に周波数１０〜１００ｋＨｚの範囲にあるパルス型高周波・高電圧を印加させて非平衡プラズマを生成させ、酸素を混合させた処理対象ガスをプラズマと接触させる。

これにより、処理対象ガスのプラズマ反応と酸化反応とが同時進行して当該処理対象ガスは酸化分解処理される。

このとき、筒状誘電体部材２内部での放電プラズマによる励起によって処理対象ガスがラジカル化した状態となり、この処理対象ガスは筒状誘電体部材２の端部開放側から放出される。

窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを本プラズマ素子にて励起させ、端部開放側から放出されるガスを、例えば基板Ｐ表面に吹き付けることにより、当該基板Ｐ表面の有機物を二酸化炭素及び水に変え、ガス化されて除去される。これによって基板Ｐ表面がドライ洗浄される。

尚、放電プラズマによる励起によって処理対象ガスをイオン化させ、このイオンを基板Ｐ表面の有機物に衝突させるスパッタリング作用により当該有機物を除去するようにしても良い。

本発明を実施するための最良の形態における使用状態の概略断面図である。

符号の説明

Ｐ基板
１大気圧プラズマ素子
２筒状誘電体部材
３第１羽根部分
４第２羽根部分
５孔部
６外部電極
７内部電極
８高周波・高電圧電源

Claims

大気圧雰囲気中で処理対象ガスを流通可能とした筒状誘電体部材の外周壁に外部電極を付設し、該筒状誘電体部材の内部に配され、螺旋状に正回転する第１羽根部分、螺旋状に逆回転する第２羽根部分とを交互に長手方向に延設してそれぞれを内部電極とし、処理対象ガスと酸素及び酸素を含んだガスを筒状誘電体部材内側で剪断力を受けて分割及び合流を繰り返すことにより両者が攪拌混合されると同時に両電極間に高周波・高電圧を印加させて放電プラズマを誘起させることで筒状誘電体部材内側の処理対象ガスを分解・合成・改質可能としたことを特徴とする大気圧プラズマ素子。
前記第１羽根部分、第２羽根部分それぞれは、当該両羽根部分間に境界部を設けて筒状誘電体部材の長手方向に沿って交互に一体成形して成るか若しくは予め分割形成された両羽根部分を交互に溶接又はロー付結合して成るものとし、該境界部は、前記両羽根部分それぞれの端部が直交するように捩られて形成して成ることを特徴とする請求項１記載の大気圧プラズマ素子。
処理対象ガスのキャリアガスとして大気を利用したことを特徴とする請求項１又は２記載の大気圧プラズマ素子。
プラズマ素子の上流に処理対象ガスに酸素を供給する酸素供給源を接続し、放電プラズマ反応と同時進行して該処理対象ガスは酸素とのプラズマ反応により酸化分解処理が行なわれることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の大気圧プラズマ素子。
請求項１乃至４のいずれか記載において、前記筒状誘電体部材内側での放電プラズマにより励起されラジカル状となった供給ガスを処理対象基板表面に吹き付けることによりドライ表面処理を可能にするプラズマ処理装置として使用を可能にしたことを特徴とする大気圧プラズマ素子。
請求項１乃至４のいずれか記載の大気圧プラズマ素子をオゾン発生装置として使用可能にしたことを特徴とする大気圧プラズマ素子。