JP2011222404A - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置ならびにプラズマ処理された処理対象物 - Google Patents

Abstract

【課題】 少なくとも一部に通気性を有する処理対象物の当該通気性部分の内部にまでプラズマ処理を施すことができるとともに、コストを削減することができ、さらには、あらゆる処理対象物に対して様々なプラズマ処理を簡便に行うことが可能なプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置ならびにプラズマ処理された処理対象物を提供すること。
【解決手段】 少なくともその一部が通気性を有する処理対象物１の内部にプラズマを透過させることにより所定のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置２であって、プラズマを生成するプラズマ生成手段３と、前記プラズマを前記処理対象物１の内部に透過させるプラズマ透過手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は処理対象物にプラズマを照射して、所定の処理を施すためのプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置ならびにプラズマ処理された処理対象物に関する。

従来より、処理対象物の表面にプラズマを照射することにより、例えば、コーティング処理、親水化処理、撥水化処理、殺菌処理などの様々な処理（以下、プラズマ処理という。）が行われている。

また、このようなプラズマ処理を行うための装置として、例えば、プラズマ生成部において生成したラジカル（殺菌因子）を処理対象物が収容された処理室内に導入し、殺菌処理するための装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特開平１０−９９４１５号公報 特開２００６−２９６８４８号公報

「低周波大気圧マイクロプラズマジェット」、北野勝久、浜口智志、応用物理学会誌、77(4)、(2008)、P383-389 「大気圧プラズマを点けてみよう:4.1 LFプラズマジェット」北野勝久、プラズマ・核融合学会誌、84(1)、19-21、(2008)、P19-21

しかしながら、前記特許文献１に開示された発明は、コンプレッサなどによりチャンバー内を加圧してチャンバー内にラジカルを保持することで、また、特許文献２に開示された発明は、ファンによって処理室内にダウンフローを作ることで、処理対象物がラジカルに曝されるようにしているものの、いずれも積極的にはラジカルに曝されていないため、処理対象物の厚さ方向全体まで充分な滅菌処理が施されていないという問題がある。

また、従来においては、例えば、金属やプラスチックなどの通気性を有さないものを処理対象物とし、その処理対象物の表面にのみプラズマを照射してプラズマ処理を施すのが一般的であった。しかし、昨今においては、例えば、布、繊維、スポンジ素材、多孔質素材、中空糸膜などから形成されたものなど、通気性を有する処理対象物に対してもプラズマ処理を行う要望が高まってきている。

さらに、近年、放電損傷および熱損傷を与えることなく照射することが可能なプラズマ、いわゆるダメージフリープラズマが知られている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照）。具体的には、非特許文献１においては、いわゆるダメージフリープラズマの特性について、３８８頁、図１０に、ＬＦ(Low Frequency)プラズマジェットの指への照射状態を示す写真が示されるとともに、「成分の大半を占める中性ガスの温度は低いために指に当てても熱くない．」と記載されている。また、非特許文献２においては、いわゆるダメージフリープラズマの特性について、２１頁、図３に、ＬＦプラズマジェットによって形成されているガス流交差型プラズマジェットの指への照射状態を示す写真が示されるとともに、２０頁３８乃至３９行に「図３に示すように火傷をせずに指で触れる程度である．」と記載されている。非特許文献１および非特許文献２において、ＬＦプラズマジェットとは、１０ｋＨｚ程度の低周波電源を用いて形成される放電のことを意味する。このようにこれまでいわゆるダメージフリープラズマとは、指に当てても熱くなく指で触れる程度のプラズマとしてとらえられている。ここで、発明者等が開発したダメージフリープラズマについて具体的に定義すると、例えば、照射する対象が人体の場合には、人体が感知することができる電流値（０．５ｍＡ）未満であって、人体が熱的に耐え得る温度（１５０℃）未満のものをいう。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、少なくとも一部に通気性を有する処理対象物の当該通気性部分の内部にまでプラズマ処理を施すことができるとともに、コストを削減することができ、さらには、あらゆる処理対象物に対して様々なプラズマ処理を簡便に行うことが可能なプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置ならびにプラズマ処理された処理対象物を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、本発明の請求項１に記載のプラズマ処理方法は、少なくともその一部が通気性を有する処理対象物の内部にプラズマを透過させることにより所定のプラズマ処理を施すことを特徴とする。本発明によれば、処理対象物の通気性部分の内部にプラズマを透過させることにより、処理対象物の厚さ方向全体にプラズマ処理を施すことができる。

本発明の請求項２に記載のプラズマ処理方法は、請求項１に記載のプラズマ処理方法において前記プラズマはダメージフリープラズマであることを特徴とする。本発明によれば、放電損傷および熱損傷を与えないダメージフリープラズマを用いることで、例えば、生体や低融点材料などのあらゆる処理対象物にダメージを与えることなく、コーティング処理、親水化処理、撥水化処理、殺菌処理等のプラズマ処理を施すことができる。

本発明の請求項３に記載の処理対象物は、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法により所定のプラズマ処理が施されたことを特徴とする。本発明によれば、通気性部分の内部にプラズマ処理が施された処理対象物を得ることができる。

本発明の請求項４に記載のプラズマ処理装置は、少なくともその一部が通気性を有する処理対象物の内部にプラズマを透過させることにより所定のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置であって、プラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記プラズマを前記処理対象物の内部に透過させるプラズマ透過手段とを備えることを特徴とする。本発明によれば、プラズマ透過手段によって処理対象物の通気性部分の内部にプラズマを透過させることにより、処理対象物の厚さ方向全体にプラズマ処理を施すことができる。

また、本発明の請求項５に記載のプラズマ処理装置は、請求項４に記載のプラズマ処理装置において、前記プラズマ透過手段は、上下流間の圧力差によって前記プラズマを前記処理対象物の内部に透過させるように形成されていることを特徴とする。本発明によれば、プラズマ透過手段によって処理対象物の通気性部分の上下流間に圧力差を形成させて当該通気性部分の内部にプラズマを透過させることができ、確実に処理対象物の厚さ方向全体にプラズマ処理を施すことができる。

また、本発明の請求項６に記載のプラズマ処理装置は、請求項５に記載のプラズマ処理装置において、前記処理対象物を収容可能とされるとともに前記プラズマ生成手段により生成されたプラズマにより前記処理対象物にプラズマ処理を施す処理室と、前記プラズマ生成手段により生成されたプラズマを上下流間の圧力差によって処理室内に導入する導入手段および前記処理室内の気体を上下流間の圧力差によって排出する排出手段の少なくとも一方を備え、前記プラズマ透過手段は前記導入手段および前記排出手段の少なくとも１つからなることを特徴とする。本発明によれば、前記導入手段により処理室内にプラズマを上下流間の圧力差によって導入することにより処理室内に形成される気流および前記排出手段により処理室内の気体を上下流間の圧力差によって排出することにより処理室内に形成される気流の少なくとも１つによって、処理対象物の通気性部分の内部に形成される上下流間の圧力差に沿ってプラズマを透過させることにより、処理対象物の厚さ方向全体にプラズマ処理を施すことができる。

また、本発明の請求項７に記載のプラズマ処理装置は、請求項６に記載のプラズマ処理装置において、前記処理室の外周壁には、前記導入手段によりプラズマを導入するための導入口および前記排出手段により処理室内の気体を排出するための排出口の少なくとも１つが形成されていることを特徴とする。本発明によれば、導入口を介して処理室内にプラズマを導入したり、排出口を介して処理室内の気体を排出することにより、確実に処理室内に気流が形成されるため、確実に処理対象物の通気性部分の内部に形成される上下流間の圧力差に沿ってプラズマを透過させて、処理対象物の厚さ方向全体にプラズマ処理を施すことができる。

また、本発明の請求項８に記載のプラズマ処理装置は、請求項７に記載のプラズマ処理装置において、前記導入口はスリット状であり、前記処理対象物を前記導入口の長手方向と直交する方向に移動させつつ、プラズマ処理を施すことが可能とされていることを特徴とする。本発明によれば、連続的かつ確実に処理対象物の全体にプラズマ処理を施すことが可能となる。

また、本発明の請求項９に記載のプラズマ処理装置は、請求項７または請求項８に記載のプラズマ処理装置において、前記導入口および前記排出口は、前記処理室の外周壁において前記処理対象物の互いに対向する少なくとも一対の外周面の近傍の位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする。ここで、処理対象物が球形など外周面が湾曲形状である場合や、複雑形状である場合には、外周面に接する面であって互いに対向する一対の面を任意に選択するものとする。本発明によれば、処理室内において導入口側から排出口側へ向かう気流を形成し、この気流によって処理対象物の通気性部分の内部に形成される上下流間の圧力差に沿ってプラズマを透過させることができるため、確実に処理対象物の厚さ方向全体にプラズマ処理を施すことができる。

また、本発明の請求項１０に記載のプラズマ処理装置は、請求項５に記載のプラズマ処理装置において、前記処理対象物を収容可能とされた処理室と、前記処理室内において前記処理対象物を介して対向配置された少なくとも一対の電極、および前記少なくとも一対の電極間に電圧を印加する電源からなり、処理室内にプラズマを発生可能とされたプラズマ生成手段と、前記処理室内にプラズマ生成用ガスを供給する供給手段単独若しくは前記供給手段および前記処理室内の気体を排出する排出手段の組合せの少なくとも一方を備え、前記プラズマ透過手段は、前記供給手段単独若しくは前記供給手段および前記排出手段の組合せからなることを特徴とする。本発明によれば、処理室内において処理対象物の周囲にプラズマを生成させ、前記供給手段単独若しくは前記供給手段および前記排出手段の組合せにより処理室内に形成される気流によって、プラズマを処理対象物の通気性部分の内部に形成される上下流間の圧力差に沿って透過させることにより、確実に処理対象物の厚さ方向全体にプラズマ処理を施すことができる。

また、本発明の請求項１１に記載のプラズマ処理装置は、請求項１０に記載のプラズマ処理装置において、前記処理室の外周壁には、前記供給手段によりプラズマ生成用ガスを供給するため供給口および前記排出手段により処理室内の気体を排出するための排出口の少なくとも１つが形成されていることを特徴とする。本発明によれば、供給口を介して処理室内にプラズマ生成用ガスを供給したり、排出口を介して処理室内の気体を排出することにより、確実に処理室内に気流が形成されるため、確実に処理対象物の通気性部分の内部に形成される上下流間の圧力差に沿ってプラズマを透過させて、処理対象物の厚さ方向全体にプラズマ処理を施すことができる。

また、本発明の請求項１２に記載のプラズマ処理装置は、請求項１１に記載のプラズマ処理装置において、前記供給口および前記排出口は、前記処理室の外周壁において前記処理対象物の互いに対向する少なくとも一対の外周面の近傍の位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする。本発明によれば、処理室内において供給口側から排出口側へ向かう気流を形成し、この気流によって処理対象物の通気性部分の内部に形成される上下流間の圧力差に沿ってプラズマを透過させることができるため、確実に処理対象物の厚さ方向全体にプラズマ処理を施すことができる。

また、本発明の請求項１３に記載のプラズマ処理装置は、請求項６乃至請求項１２のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記排出手段により排出された気体に含まれるプラズマ生成用ガスを前記プラズマ生成手段へ返還する返還手段を備えることを特徴とする。本発明によれば、プラズマ生成手段へ返還されたプラズマ生成用ガスはプラズマの生成に再利用されるため、プラズマ生成用ガスの消費量を削減し、コストの削減を図ることができる。

また、本発明の請求項１４に記載のプラズマ処理装置は、請求項４乃至請求項１３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記プラズマはダメージフリープラズマであることを特徴とする。本発明によれば、放電損傷および熱損傷を与えないダメージフリープラズマを用いることで、例えば、生体や低融点材料などのあらゆる処理対象物にダメージを与えることなく、コーティング処理、親水化処理、撥水化処理、殺菌処理等のプラズマ処理を施すことができる。

以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、少なくとも一部に通気性を有する処理対象物の当該通気性部分の内部にまでプラズマ処理を施すことができる。また、プラズマ生成用ガスを再利用することができるため、プラズマ生成用ガスの消費量を削減し、コストの大幅な削減を図ることができる。また、本発明のプラズマ処理装置を用いることにより、様々なプラズマ処理を簡便に行うことができるなどの顕著な効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置を示す概略断面図 第２実施形態に係るプラズマ処理装置を示す正面断面図 （ａ）（ｂ）は、他の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す正面断面図

以下、本発明の実施形態を図１から図３により説明する。図１および図２は、それぞれ第１実施形態および第２実施形態に係るプラズマ処理装置を示す正面断面図である。また、図３（ａ）（ｂ）は、他の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す正面断面図である。

本発明のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置は、例えば、コーティング処理、親水化処理、撥水化処理、殺菌処理などのプラズマ処理に用いることができる。処理対象物としては、例えば、少なくともその一部が布、繊維、スポンジ素材、多孔質素材、中空糸膜などの通気性を有する素材によって形成されたものを用いることができ、形状については、シート状、平板形状、直方体形状、球形状など様々な形状のものを用いることができる。また、通気性を有する素材からなる包装容器に包装されたものであってもよい。さらに、後述するように、プラズマ生成部３ａにダメージフリープラズマを生成可能なプラズマ源を用いることで、一般的なプラズマ照射によって放電損傷や熱損傷を受けるような生体や低融点材料からなるものも処理対象物とすることができる。

まず、本発明の第１実施形態について図１により説明する。以下では、厚さが数ｃｍのシート状であって、低融点の布素材からなる処理対象物１に前駆物質であるテトラメトキシシランの溶液を塗布した後、後述する処理室４内に収容し、さらにプラズマを導入して照射することにより、処理対象物１に酸化ケイ素を形成するコーティング処理を施す場合について説明する。

図１に示すように、本実施形態のプラズマ処理装置２は、前記処理対象物１を収容可能とされた処理室４と、所定の圧力下（たとえば、大気圧から大気圧未満の圧力下）でプラズマを生成するプラズマ生成手段３と、前記プラズマ生成手段３により生成されたプラズマを処理室４内に圧力差によって導入する導入手段と、処理室４内の気体を圧力差によって排出する排出手段と、前記プラズマを処理対象物１の内部に形成される上下流間の圧力差によって透過させるプラズマ透過手段と、前記排出手段により排出された気体に含まれるプラズマ生成用ガスをプラズマ生成手段３へ返還する返還手段とを備えている。

前記処理室４は外観形状の厚さが数ｃｍの中空直方体状であり、その内部には前記処理対象物４が入るだけの間隙部５、具体的には厚さが数ｃｍの直方体状の間隙部５が形成されている。前記間隙部５の内壁面には、例えば、処理対象物１を載置するために、矩形の枠部材からなる保持部（不図示）が外縁部を以て取り付けられている。また、処理室４の側壁部には開閉自在な収容口（不図示）が形成されており、この収容口を開放して処理対象物１を前記保持部の上に水平に載置することで、処理室４内に収容することが可能となっている。

また、処理室４においては、内部に収容した処理対象物１の通気性部分に圧力差を形成できるようにするとともに、処理室４内の圧力をプラズマ形成に必要な条件とされる圧力値（たとえば、大気圧から大気圧未満の圧力）を設定可能とされている。具体的には、後述するポンプ６の吸引力、入口側の導入用バルブ７および出口側の排出用バルブ８の開放量を調整することにより行われる。

なお、処理室４の縦横および高さは数ｍｍから数ｍに亘って変更することができる。また、処理室４の外観形状、間隙部５の形状や寸法は、処理対象物１の形状や寸法などに応じて適宜変更することができる。

処理室４の外周壁には、後述するプラズマ生成部３ａからプラズマを導入するための導入口９および処理室４内の気体を吸引して排出するための排出口１０が形成されている。本実施形態においては前記導入口９および排出口１０はスリット状であり、処理室４の外周壁において処理対象物１の上面および下面の近傍、すなわち処理室４の外周壁の上面および下面の中央部にそれぞれ形成されている。

また、処理室４の上方および下方には、それぞれヒータ１１が配置されている。これにより、処理室４内の気体をコーティング処理の化学反応に適当な温度に調節することが可能となっている。

なお、導入口９および排出口１０は、処理対象物１の対向する一対の外周面の近傍に形成されていればよく、例えば、処理対象物１の右側面および左側面の近傍、すなわち、処理室４の外周壁の右側面および左側面に形成されていてもよい。また、導入口９および排出口１０は、必ずしも一方向において対応する位置に形成されていなくてもよい。さらに、導入口９および排出口１０は一対に限らず、複数対設けられていてもよく、またそれぞれの数は一致していなくてもよい。

前記プラズマ生成手段３は、プラズマ生成用ガスよりプラズマを生成するプラズマ生成部３ａと、プラズマ生成部３ａにプラズマ生成用ガスを供給するガス供給部３ｂとからなる。プラズマ生成部３ａとガス供給部３ｂはガス配管などを介して連結されており、ガス供給部３ｂに設けられたバルブ（不図示）を開放することで、プラズマ生成部３ａにプラズマ生成用ガスを供給することが可能となっている。

本実施形態においては、プラズマ生成部３ａはプラズマ生成用ガスを用いて大気圧から大気圧未満の圧力下においてダメージフリープラズマを生成可能なプラズマ源であればどのような構造であってもよい。プラズマ生成用ガスとしては、例えば、ＨｅガスとＯ２ガスの混合ガスが用いられ、ガス供給部３ｂにおいて、ボンベ（不図示）から供給された各ガスを混合して生成されるようになっている。なお、ＨｅとＯ２の混合比は変更可能であり、プラズマ生成用ガスの種類も適宜変更可能である。

処理室４の導入口９には導入用ガス配管１３の一端部が取り付けられており、この導入用ガス配管１３を介して処理室４とプラズマ生成部３ａとが連結されている。また、導入用ガス配管１３には導入用バルブ７が設けられており、この導入用バルブ７を開放することにより、プラズマ生成部３ａにおいて生成されたプラズマを処理室４内へ導入することが可能となっている。また、導入用バルブ７の開放量を調整することで、導入用ガス配管１３を介して処理室４内へ導入される気体の流量並びにプラズマ生成部３ａと処理室４との圧力差を調節することが可能となっている。なお、導入用バルブ７は前記導入手段を構成している。

一方、処理室４の排出口１０には円筒状の排出用ガス配管１４の一端部が取り付けられている。この排出用ガス配管１４には排出用バルブ８およびポンプ６が設けられており、排出用バルブ８を開放し、ポンプ６を作動することにより、処理室４内の気体を吸引して排出することが可能となっている。また、排出用バルブ８の開放量を調整することで、排出用ガス配管１４を介して排出される気体の流量並びに処理室４と排出用ガス配管１４との圧力差を調節することが可能となっている。なお、これらの排出用ガス配管１４、排出用バルブ８およびポンプ６は前記排出手段を構成している。また、本実施形態においては、前記導入手段および前記排出手段が前記プラズマ透過手段を構成している。

前記排出用ガス配管１４の他端部はガス供給部３ｂと接続されており、処理室４から排出口１０を介して排出された気体は、再び、プラズマ生成部３ａに返還されるようになっている。ここで、処理室４から吸引された気体中には、一度、ガス供給部３ｂからプラズマ生成部３ａに供給され、プラズマ生成部３ａにおいてプラズマ化されずにそのまま処理室４内に導入されたプラズマ生成用ガスが含まれているため、このプラズマ生成用ガスが再び、ガス供給部３ｂへ返還されることになる。なお、これらの排出用ガス配管１４およびポンプ６は前記返還手段を構成している。

なお、処理室４から排出された気体を排出用ガス配管１４を介して直接、プラズマ生成部３ａに返還する代わりに、吸引された気体中に含まれるプラズマ生成用ガス以外の不要な気体を排気手段によって除去した後、プラズマ生成用ガスのみを排出用ガス配管１４を介して、ガス供給部３ｂへ返還するようにしてもよい。また、排出用ガス配管１４にプラズマ生成用ガスを捕集する捕集手段を設けてもよい。

次に、本実施形態のプラズマ処理方法について、図１のプラズマ処理装置２を用いて前記処理対象物１に前述したコーティング処理を施す場合の動作および作用に基づいて説明する。

まず、前記収容口を開放して処理室４内の前記保持部に、前駆物質であるテトラメトキシシランが塗布された処理対象物１を載置して、処理室４内に収容する。

次に、ガス供給部３ｂの前記バルブを開放して、プラズマ生成部３ａにプラズマ生成用ガスを供給し、プラズマを生成させる。そして、導入用バルブ７および排出用バルブ８を開放して、ポンプ６を作動させることで、プラズマ生成部３ａ側の圧力が高く排出用ガス配管１４側の圧力が低い圧力差を形成して処理室４内にプラズマを導入する。このとき、処理室４内において、例えば、処理対象物１の端部を手で引っ張り、スリット状の導入口９の長手方向と直交する方向（図１における矢印Ａの方向）に間欠的若しくは連続的に移動させる。

また、必要に応じて、ポンプ６の吸引力、導入用バルブ７あるいは排出用バルブ８の開放量を調整することによって、処理室４内の気圧をプラズマ形成に必要な条件とされる圧力値（たとえば、ダメージフリープラズマの場合には大気圧から大気圧未満の圧力）に調整する。例えば、処理室４内の気圧を上げる場合には、導入口９から導入される気体の流量が排出口１０から排出される気体の流量よりも大きくなるように、ポンプ６の吸引力、導入用バルブ７あるいは排出用バルブ８の開放量を調整する。逆に、処理室４内の気圧を上げる場合には、導入口９から導入される気体の流量が排出口１０から排出される気体の流量よりも小さくなるように、ポンプ６の吸引力、導入用バルブ７あるいは排出用バルブ８の開放量を調整する。このようにして、ダメージフリープラズマの場合には大気圧から大気圧未満の圧力にかけてそれぞれの気圧に依存して生成する処理室４内のプラズマ状態を制御する。

このように、処理室４内にプラズマが導入され、処理対象物１に照射されると、プラズマ中に含まれる酸素ラジカルと、前駆物質であるテトラメトキシシラン（Ｓｉ−（Ｏ−ＣＨ３）４）とが反応し、処理対象物１の表面に付着物質である酸化ケイ素が形成される。具体的には、処理対象物１の表面において、（Ｓｉ−（Ｏ−ＣＨ３）４）（前駆物質）＋Ｏ・→ＳｉＯ２（付着物質）＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏの反応が生じ、酸化ケイ素が形成される。

このとき、本実施形態においては、前記導入手段および前記排出手段によって処理室４内に導入口９側の圧力が高く排出口１０側の圧力が低い圧力差を形成して導入口９側から排出口１０側へ向かう気流を形成することにより、処理対象物１の厚さ方向に形成される上下流間の圧力差に沿ってプラズマを透過させて、処理対象物１の通気性部分の内部にまで酸化ケイ素のコーティング処理を施すことができる。さらに、プラズマ処理対象物１をスリット状の導入口９の長手方向と直交する方向（図１における矢印Ａの方向）に移動させつつ、導入口９から導入されたプラズマを処理対象物１に照射させてコーティング処理を施すことにより、導入口９の長さに亘って連続的かつ確実に処理対象物１の全体にコーティング処理を施すことができる。処理対象物１が長尺の場合には、処理室４の側壁部分に貫通孔（不図示）を開設して処理対象物１を処理室４を貫通させながら移動させるとよい。

また、本実施形態においては、プラズマ生成部３ａにダメージフリープラズマを生成することができるプラズマ源を用いているため、低融点の布素材からなる処理対象物１に熱損傷を与えることなく、コーティング処理を施すことができる。

さらに、本実施形態においては、処理室４から排出される気体に含まれるプラズマ生成用ガスは排出用ガス配管１４を介してガス供給部３ｂに返還された後、再び、ガス供給部３ｂからプラズマ生成部３ａへ供給されてプラズマの生成に再利用される。これにより、プラズマ生成用ガスの消費量を削減し、コストの大幅な削減を図ることができる。

なお、例えば、上記実施形態において、導入用ガス配管１３および排出用ガス配管１４の両方にプラズマ生成部３ａおよびポンプ６を設けてもよい。これにより、導入口９側および排出口１０側の両方から、プラズマの導入と処理室４内の気体の排出とを交互に行うことで、処理室４内におけるコーティング処理のオンオフを制御するようにしてもよい。

また、プラズマ生成部３ａにおいて生成するプラズマはダメージフリープラズマには限定されず、処理対象物１に施すプラズマ処理の内容に応じて公知のプラズマより選択して適用するとよい。この場合、本発明の構成各部、特に処理室４を利用するプラズマを形成するための条件、例えば温度を零度以下〜２００℃以上、圧力を真空〜数十気圧などを満たすように形成するとよい。

また、処理対象物１の通気性部分に上下流間の圧力差を形成するためのプラズマ透過手段としては、上記実施形態のようにプラズマ生成手段３により生成されたプラズマを処理室４内に圧力差によって導入する導入手段（７）および処理室４内の気体を圧力差によって排出する排出手段（６、８、１４）の双方を設けてもよく、また、いずれか一方を設けてもよい。また、導入手段としては、プラズマ生成部３ａ内の圧力が処理室４内の圧力より高く十分な圧力差を形成できる場合には、導入用バルブ７を省く（同バルブ７の開度を変更しない場合を含む）こともできる。

また、前駆物質としては、例えば、金属有機化合物、金属塩など様々な物質を用いることができる。

次に、本発明の第２実施形態について図２により説明する。以下では、厚さが数ｃｍのシート状であって不織布からなる処理対象物１にプラズマを照射して殺菌処理を施す場合について説明する。

本実施形態に係るプラズマ処理装置２は、前記処理対象物１を収容可能とされた処理室４と、前記処理室４内において処理対象物１を介して対向配置された一対の板電極１５および一対の板電極１５間に電圧を印加する電源１６からなり、所定の圧力下（たとえば、大気圧から大気圧未満の圧力下）で処理室４内にプラズマを発生可能とされたプラズマ生成手段３と、処理室４内に圧力差によってプラズマ生成用ガスを供給する供給手段と、処理室４内の気体を圧力差によって排出する排出手段と、前記プラズマを処理対象物１の内部に形成される上下流間の圧力差によって透過させるプラズマ透過手段と、前記排出手段により排出された気体に含まれるプラズマ生成用ガスをプラズマ生成手段３へ返還する返還手段とを備えている。

前記処理室４は外観形状の高さが数ｃｍの中空直方体状であり、その内部には前記処理対象物１が入るだけの間隙部５、具体的には厚さが数ｃｍの直方体状の間隙部５が形成されている。また、処理室４の外周壁の上面および下面は一対の板電極１５によって形成されている。なお、処理室４の縦横および高さは数ｍｍから数ｍに亘って変更することができる。また、処理室４の外観形状、間隙部５の形状や寸法は、処理対象物１の形状や寸法などに応じて適宜変更することができる。

前記間隙部５の内壁面には、例えば、処理対象物１を載置するために、矩形の枠部材からなる保持部（不図示）が外縁部を以て取り付けられている。また、処理室４の側壁部には開閉自在な収容口（不図示）が形成されており、この収容口を開放して処理対象物１を前記保持部の上に水平に載置することで、処理室４内において処理対象物１を一対の板電極１５の中間位置に収容することが可能となっている。電源１６としては直流、交流、高周波、マイクロ波など様々な形態のものを使用することができる。

なお、処理室４には少なくとも一対の板電極１５が配設されていればよく、必ずしも処理室４の一部を構成している必要はない。例えば、鉛直方向に離間して水平に配置された複数対の板電極が処理室４の内部に配設されていてもよい。

また、処理室４の外周壁には、後述するプラズマ供給部からプラズマ生成用ガスを供給するための円形の供給口１７および処理室４内の気体を吸引して排出するための円形の排出口１０が形成されている。本実施形態においては、供給口１７および排出口１０の形成位置は、図２における処理対象物１の上面および下面の近傍、すなわち処理室４の外周壁の上面および下面の中央に形成されている。また、供給口１７および排出口１０は鉛直方向において互いに対応する位置に形成されている。

なお、供給口１７および排出口１０は、処理対象物１の対向する一対の外周面の近傍に形成されていればよく、例えば、処理対象物１の右側面および左側面の近傍、すなわち、処理室４の外周壁の右側面および左側面に形成されていてもよい。また、供給口１７および排出口１０は、必ずしも一方向において対応する位置に形成されていなくてもよい。さらに、供給口１７および排出口１０は一対に限らず、複数対設けられていてもよく、またそれぞれの数は一致していなくてもよい。

また、処理室４においては、内部に収容した処理対象物１の通気性部分に圧力差を形成できるようにするとともに、処理室４内の圧力をプラズマ形成に必要な条件とされる圧力値（たとえば、大気圧から大気圧未満の圧力）を設定可能とされている。具体的には、後述するポンプ６の吸引力、入口側の供給用バルブ１９および出口側の排出用バルブ８の開放量を調整することにより行われる。

処理室４の供給口１７には供給用ガス配管１８の一端部が取り付けられており、この供給用ガス配管１８を介して処理室４とガス供給部１２とが連結されている。供給用ガス配管１８には供給用バルブ１９が設けられており、この供給用バルブ１９を開放することにより、ガス供給部１２から処理室４内へプラズマ生成用ガスを導入可能となっている。

本実施形態においては、プラズマ生成用ガスとして、ＨｅガスとＯ２ガスの混合ガスが用いられ、ガス供給部１２において、ボンベ（不図示）から供給された各ガスを混合して生成されるようになっている。なお、ＨｅとＯ２の混合比は変更可能であり、プラズマ生成用ガスの種類も適宜変更可能である。また、供給用バルブ１９の開放量を調整することで、供給用ガス配管１８を介して処理室４内へ導入される気体の流量並びにガス供給部１２と処理室４との圧力差を調整することが可能となっている。なお、これらの供給用ガス配管１８および供給用バルブ１９は前記供給手段を構成している。

一方、処理室４の排出口１０には排出用ガス配管１４の一端部が取り付けられている。この排出用ガス配管１４には排出用バルブ８およびポンプ６が設けられており、排出用バルブ８を開放し、ポンプ６を作動することにより、処理室４内の気体を吸引して排出することが可能となっている。また、排出用バルブ８の開放量を調整することで、排出用ガス配管１４を介して排出される気体の流量並びに処理室４と排出用ガス配管１４との圧力差を調整することが可能となっている。なお、これらの排出用ガス配管１４、排出用バルブ８およびポンプ６は前記排出手段を構成している。また、本実施形態においては、前記供給手段および前記排出手段が前記プラズマ透過手段を構成している。

ここで、本実施形態においては、供給口１７および供給用ガス配管１８の断面積は、排出口１０および排出用ガス配管１４の断面積よりも小さく形成されている。これにより、供給口１７を介して処理室４内へ導入される気体の流速を、排出口１０を介して処理室４から吸引される気体の流速よりも大きくし、供給口１７側から排出口１０側へ一方向に気体が流れるようにすることで、空気などの外部の気体が処理室４内に混入するのを防止することができる。

また、排出用ガス配管１４の他端部はガス供給部１２と接続されており、処理室４から排出口１０を介して吸引された気体は、再び、ガス供給部１２に返還されるようになっている。ここで、処理室４から吸引された気体中には、一度、ガス供給部１２から処理室４内に供給され、後述するように一対の板電極１５に挟まれた空間においてプラズマ化されなかったプラズマ生成用ガスなどが含まれており、このプラズマ生成用ガスが再び、ガス供給部１２へ返還されることになる。なお、これらの排出用ガス配管１４およびポンプ６は前記返還手段を構成している。

なお、処理室４から吸引された気体を排出用ガス配管１４を介して直接、ガス供給部１２に返還する代わりに、吸引された気体中に含まれるプラズマ生成用ガス以外の不要な気体を排気手段によって除去した後、プラズマ生成用ガスのみを排出用ガス配管１４を介して、ガス供給部１２へ返還するようにしてもよい。また、排出用ガス配管１４にプラズマ生成用ガスを捕集する捕集手段を設けてもよい。

次に、本実施形態のプラズマ処理方法について、図２のプラズマ処理装置２を用いて前記処理対象物１に殺菌処理を施す場合の動作および作用に基づいて説明する。

まず、前記収容口を介して処理室４内の前記保持部に処理対象物１を載置して、処理室４内に収容する。次に、ガス供給部１２の前記バルブおよび供給用バルブ１９を開放して、処理室４内にプラズマ生成用ガスを供給する。その後、排出用バルブ８を開放するとともに、ポンプ６を作動させる。これによりガス供給部１２側の圧力が高く排出用ガス配管１４側の圧力が低い圧力差が形成される。その後、電源１６をオン状態にして一対の板電極１５の間に電圧を印加する。これにより、処理室４内において一対の板電極１５に挟まれた空間にプラズマが生成される。

このとき、ポンプ６の吸引力、供給用バルブ１９の開放量あるいは排出用バルブ８の開放量を調整することによって、処理室４内の気圧をプラズマ形成に必要な条件とされる圧力値（たとえば、ダメージフリープラズマの場合には大気圧から大気圧未満の圧力）に調整する。例えば、処理室４内の気圧を上げる場合には、供給口１７から導入される気体の流量が排出口１０から吸引される気体の流量よりも大きくなるように、ポンプ６の吸引するスピード、供給用バルブ１９の開放量、あるいは排出用バルブ８の開放量を調整する。逆に、処理室４内の気圧を上げる場合には、導入口９から導入される気体の流量が排出口１０から吸引される気体の流量よりも小さくなるように、ポンプ６の吸引力、導入用バルブ７あるいは排出用バルブ８の開放量を調整する。このようにして、ダメージフリープラズマの場合には大気圧から大気圧未満の圧力にかけてそれぞれの気圧に依存して生成する処理室４内のプラズマ状態を制御する。

本実施形態によれば、前記供給手段および前記排出手段によって処理室４内に供給口１７側の圧力が高く排出口１０側の圧力が低い圧力差を形成して供給口１７側から排出口１０側へ向かう気流を形成することにより、処理対象物１の厚さ方向に形成される上下流間の圧力差に沿ってプラズマを透過させて、プラズマ生成用ガスから発生するオゾンガスの殺菌作用によって、処理対象物１の通気性部分の内部にまで殺菌処理を施すことができる。

また、本実施形態においては、処理室４から排出される気体に含まれるプラズマ生成用ガスは排出用ガス配管１４を介してガス供給部１２に返還された後、再び、ガス供給部１２から処理室４内に供給されてプラズマの生成に再利用される。これにより、プラズマ生成用ガスの消費量を削減し、コストの大幅な削減を図ることができる。また、本実施形態は、パンなどの食品や布団などの日用品を殺菌処理する場合にも応用することができる。

なお、上記実施形態のように、中空直方体状の処理室４の側壁部に前記収容口を設ける代わりに、処理室４の外壁面の上面を開き蓋として形成し、この開き蓋の一辺を蝶番などによって、処理室４の本体に開閉自在に取り付けてもよい。そして、処理対象物１を処理室４内に収容し、開き蓋を閉じた後に処理室４内に満たされている空気を利用して、プラズマを生成するように構成してもよい。

また、処理室４内において生成するプラズマはダメージフリープラズマには限定されず、処理対象物１に施すプラズマ処理の内容に応じて公知のプラズマより選択して適用するとよい。この場合、本発明の構成各部、特に処理室４を利用するプラズマを形成するための条件、例えば温度を零度以下〜２００℃以上、圧力を真空〜数十気圧などを満たすように形成するとよい。

また、処理対象物１の通気性部分に上下流間の圧力差を形成するためのプラズマ透過手段としては、上記実施形態のようにガス供給部１２からプラズマ生成用ガスを処理室４内に圧力差によって導入する導入手段（１８、１９）および処理室４内の気体を圧力差によって排出する排出手段（６、８、１４）の双方を設けてもよく、また、導入手段（１８、１９）単独を設けてもよい。また、導入手段としては、ガス供給部１２内の圧力が処理室４内の圧力より高く十分な圧力差を形成できる場合には、供給用バルブ１９を省く（同バルブ１９の開度を変更しない場合を含む）こともできる。

本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

例えば、図３（ａ）に示す他の実施形態のように、第２実施形態の処理室４の外周壁に複数の供給口１７および排出口１０を形成し、一部の供給口１７には一般的にプラズマ化しやすい気体を導入し、その他の供給口１７には一般的にプラズマ化しにくい気体を導入してもよい。具体的には、図３（ａ）において、右端から３つ目までの３個の供給口１７には一般的にプラズマ化しやすいＡｒ、Ｏ２、Ｎ２をそれぞれ導入し、左端の供給口１７には一般的にプラズマ化しにくく、反応性の高いＣＦ４を導入し、処理室４内において主にＡｒ、Ｏ２、Ｎ２をプラズマ化させ、ＣＦ４を処理対象物１との化学反応に供するようにしてもよい。また、このように、処理室４に複数の供給口１７および排出口１０を設ける場合、一部の供給用ガス配管１８に排気用のポンプを設け、排出口１０側から供給口１７側へ気体を逆流させてもよい。

また、図３（ｂ）に示す他の実施形態のように、図３（ｂ）における処理室４の外周壁の上面に導入口９および排出口１０の両方を形成してもよい。

さらに、上記実施形態のプラズマ処理装置２を様々な化学反応を伴う処理を行うための装置、いわゆるリアクターとして用いてもよい。この場合、上記実施形態において、さらに、処理室４の外周壁に所定のプラズマ処理に要する原料を導入するための原料導入口およびこのプラズマ処理により生成した生成物や副生成物を排出するための排出口を少なくとも１つ形成してもよい。また、前記原料導入口から導入される原料としては、粉体などの固体、液体、気体のいずれであってもよい。

また、例えば、白金、ロジウムなどの触媒を担持したものを処理室４内に収容しておき、前記原料導入口からＮＯｘガスなどの汚染ガスを導入し、さらに、プラズマを照射することにより、触媒反応によって生成した浄化ガスを排気口を介して処理室４内から外部に排出させることも可能である。以上のようなプラズマ処理装置を用いることにより、様々なプラズマ処理を簡便に行うことができる。

１ 処理対象物
２ プラズマ処理装置
３ プラズマ生成部
４ 処理室
９ 導入口
１０ 排出口

Claims (14)

1. 少なくともその一部が通気性を有する処理対象物の内部にプラズマを透過させることにより所定のプラズマ処理を施すことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 前記プラズマはダメージフリープラズマであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法により所定のプラズマ処理が施されたことを特徴とする処理対象物。
4. 少なくともその一部が通気性を有する処理対象物の内部にプラズマを透過させることにより所定のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置であって、
   プラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記プラズマを前記処理対象物の内部に透過させるプラズマ透過手段とを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 前記プラズマ透過手段は、上下流間の圧力差によって前記プラズマを前記処理対象物の内部に透過させるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記処理対象物を収容可能とされるとともに前記プラズマ生成手段により生成されたプラズマにより前記処理対象物にプラズマ処理を施す処理室と、前記プラズマ生成手段により生成されたプラズマを上下流間の圧力差によって処理室内に導入する導入手段および前記処理室内の気体を上下流間の圧力差によって排出する排出手段の少なくとも一方を備え、
   前記プラズマ透過手段は前記導入手段および前記排出手段の少なくとも１つからなることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記処理室の外周壁には、前記導入手段によりプラズマを導入するための導入口および前記排出手段により処理室内の気体を排出するための排出口の少なくとも１つが形成されていることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記導入口はスリット状であり、前記処理対象物を前記導入口の長手方向と直交する方向に移動させつつ、プラズマ処理を施すことが可能とされていることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記導入口および前記排出口は、前記処理室の外周壁において前記処理対象物の互いに対向する少なくとも一対の外周面の近傍の位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記処理対象物を収容可能とされた処理室と、前記処理室内において前記処理対象物を介して対向配置された少なくとも一対の電極、および前記少なくとも一対の電極間に電圧を印加する電源からなり、処理室内にプラズマを発生可能とされたプラズマ生成手段と、前記処理室内にプラズマ生成用ガスを上下流間の圧力差によって供給する供給手段単独若しくは前記供給手段および前記処理室内の気体を上下流間の圧力差によって排出する排出手段の組合せの少なくとも一方を備え、
    前記プラズマ透過手段は、前記供給手段単独若しくは前記供給手段および前記排出手段の組合せからなることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記処理室の外周壁には、前記供給手段によりプラズマ生成用ガスを供給するため供給口および前記排出手段により処理室内の気体を排出するための排出口の少なくとも１つが形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記供給口および前記排出口は、前記処理室の外周壁において前記処理対象物の互いに対向する少なくとも一対の外周面の近傍の位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記排出手段により排出された気体に含まれるプラズマ生成用ガスを前記プラズマ生成手段へ返還する返還手段を備えることを特徴とする請求項６乃至請求項１２のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記プラズマはダメージフリープラズマであることを特徴とする請求項４乃至請求項１３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。

Images