JP2023008509A - Dielectric barrier discharge electrode and dielectric barrier discharge device - Google Patents

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祐之 安井
Sukeyuki Yasui
晋弥 松田
Shinya Matsuda
明生 宇井
Akio Ui
征人 秋田
Masato Akita
陽介 佐藤
Yosuke Sato
将太郎 岡
Shotaro Oka
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Abstract

To provide a dielectric barrier discharge electrode which materializes driving at low voltage and furthermore enables improvement of durability or reliability thereof.SOLUTION: A dielectric barrier discharge electrode 2 of an embodiment, comprises : a dielectric substance 4 having a first surface 4a; a first electrode 5 provided in such a way as to be exposed onto the first surface 4a of the dielectric substance 4; and a second electrode 6 arranged in such a way as to be opposite to the first electrode 5 via the dielectric substance 4. The dielectric substance 4 comprises: a first dielectric layer 8 arranged in such a way as to construct at least a part of the first surface 4a; and a second dielectric layer 9 which is laminated with the first dielectric layer 8 and is made of a material different from that of the first dielectric layer 8. The dielectric substance layer 8 includes an inorganic dielectric material, and the second dielectric layer 9 includes a dielectric material in which at least one of insulation breakdown voltage and a dielectric constant is larger than that of the inorganic dielectric material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、誘電体バリア放電電極及び誘電体バリア放電装置に関する。 TECHNICAL FIELD Embodiments of the present invention relate to dielectric barrier discharge electrodes and dielectric barrier discharge devices.

大気圧下での安定したプラズマの生成方法として、誘電体バリア放電(Dielectric Barrier Dischage:DBD)方式が用いられている。DBD方式を適用した放電装置(以下、DBD装置とも記す。)は、一対の電極(放電電極と対向電極)とそれらの間に介在させた誘電体とを有するDBD電極を備え、両電極間に交流の放電用電源から高電圧を印加して放電を発生させるものである。 As a method for generating stable plasma under atmospheric pressure, a dielectric barrier discharge (DBD) system is used. A discharge device to which the DBD method is applied (hereinafter also referred to as a DBD device) includes a DBD electrode having a pair of electrodes (a discharge electrode and a counter electrode) and a dielectric interposed therebetween. A discharge is generated by applying a high voltage from an AC discharge power supply.

一対の電極間に電圧を印加すると、放電電極のエッジの1ヶ所に微小な放電(ストリーマ放電)が生成される。誘電体はコンデンサと同様の働きをするため、誘電体の表面に電荷が蓄積されるとその場所での放電は停止し、別の場所で放電が生成される。1ヶ所の放電はすぐに終了(数ns~数10ns)するため、電流密度の高いアーク放電(いわゆる熱プラズマ)に移行することはない。これを高速に繰り返すことで、一様で安定した放電を広い領域で生成することができる。そして、誘電体の表面の全体に電荷が蓄積される前に印加電圧の極性を反転させることで、連続的にプラズマを維持することができる。誘電体バリア放電で生成されるプラズマは、多くの微小な放電(ストリーマ放電)の集まりで、各微小な放電の電流密度は小さい。このため、電子温度のみが高く(数eV~数10eV)、イオン温度や気体粒子は室温と同程度のエネルギー(~0.1eV)を有する低温プラズマに分類され、通常、温度上昇は室温より数度ほど高いだけである。 When a voltage is applied between a pair of electrodes, a minute discharge (streamer discharge) is generated at one edge of the discharge electrodes. Dielectrics act like capacitors, so once charge builds up on the surface of the dielectric, the discharge stops at one location and discharges are created elsewhere. Since the discharge at one point ends immediately (several ns to several tens of ns), it does not shift to an arc discharge with a high current density (so-called thermal plasma). By repeating this at high speed, a uniform and stable discharge can be generated over a wide area. By reversing the polarity of the applied voltage before the charge is accumulated on the entire surface of the dielectric, the plasma can be maintained continuously. Plasma generated by dielectric barrier discharge is a collection of many minute discharges (streamer discharges), and the current density of each minute discharge is small. For this reason, only the electron temperature is high (several eV to several tens of eV), and the ion temperature and gas particles are classified as low-temperature plasmas that have the same energy as room temperature (~0.1 eV). It is only as high as the degree.

従来のDBD電極においては、誘電体の厚みはミリスケールのものが多く、一対の電極間に印加される電圧は通常5kV以上であり、高電圧で駆動される構成を有する。このため、高電圧に対する絶縁対策やノイズ対策のために、DBD電極を収納する放電部や放電用電源が大型化したり、高価になるため、DBDの低電圧駆動が望まれている。そこで、高電界を発生させるために誘電体に比誘電率の高い物質(強誘電体)を使用したり、誘電体の厚みをマイクロスケールに薄膜化したりすることが提案されている。 In conventional DBD electrodes, the thickness of the dielectric is often on the millimeter scale, and the voltage applied between a pair of electrodes is usually 5 kV or more, and has a configuration driven at a high voltage. Therefore, in order to take measures against high voltages such as insulation and noise, the discharge part housing the DBD electrode and the power source for discharge become large and expensive, so low voltage driving of the DBD is desired. Therefore, in order to generate a high electric field, it has been proposed to use a substance with a high dielectric constant (ferroelectric) as the dielectric or to reduce the thickness of the dielectric to a microscale.

例えば、強誘電体の樹脂フィルム(比誘電率3~110)で構成される可撓性の誘電体を用いることによって、電極間に印加する正弦波電圧として低電圧な0.2~2kVで駆動するDBDが提案されている。また、誘電体として、薄く平滑な形状を有し、不導体でかつ可撓性を有する薄膜ガラスを用いることが提案されている。薄膜ガラスには放電発生時の絶縁破壊に耐える程度の誘電体厚みが必要であることから、厚みが4μm~500μm程度のものを使用することで、1kV級の電圧で駆動することが可能になる。 For example, by using a flexible dielectric composed of a ferroelectric resin film (relative permittivity 3 to 110), it is driven at a low voltage of 0.2 to 2 kV as a sine wave voltage applied between electrodes. A DBD has been proposed to It has also been proposed to use thin film glass, which is thin, smooth, non-conductive and flexible, as the dielectric. Since thin-film glass requires a dielectric thickness that is sufficient to withstand dielectric breakdown when an electric discharge occurs, using a glass with a thickness of about 4 μm to 500 μm makes it possible to drive at a voltage of the 1 kV class. .

しかしながら、実用化の観点において、比誘電率の高い強誘電体の樹脂フィルムは、その表面が放電に曝されると放電で生成される反応活性種(ラジカル)により分解し、表面が掘れることで樹脂フィルムが減肉化し、誘電体自体の耐絶縁性能が低下して、DBD電極としての耐久性が低下するという課題がある。また、低電圧化するために、単一の薄膜ガラス等を誘電体として用いて厚みを薄膜化した場合には、誘電体表面の放電暴露、振動、飛来物の衝突等による欠陥の発生、潜在的な欠陥等による誘電体自体の耐絶縁性能の劣化が起きやすく、DBD電極としての信頼性が低下しやすいという課題がある。 However, from the viewpoint of practical use, when the surface of a ferroelectric resin film with a high relative dielectric constant is exposed to an electric discharge, it is decomposed by reactive species (radicals) generated by the electric discharge, and the surface becomes dug. There is a problem that the resin film is thinned, the insulation resistance performance of the dielectric itself is lowered, and the durability as a DBD electrode is lowered. In addition, when a single thin film glass or the like is used as a dielectric to reduce the thickness in order to reduce the voltage, defects may occur due to discharge exposure, vibration, collision of flying objects, etc. on the dielectric surface. There is a problem that the insulation resistance performance of the dielectric itself tends to deteriorate due to such defects as defects, and the reliability of the DBD electrode tends to decrease.

特許第6488088号公報Japanese Patent No. 6488088 特開2018-181452号公報JP 2018-181452 A

本発明が解決しようとする課題は、低電圧での駆動を実現した上で、耐久性や信頼性を高めることを可能にした誘電体バリア放電電極及び誘電体バリア放電装置を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a dielectric barrier discharge electrode and a dielectric barrier discharge device that can be driven at a low voltage and have improved durability and reliability. .

実施形態の誘電体バリア放電電極は、第1表面を有する誘電体と、前記誘電体の前記第1表面上に露出するように設けられた第1電極と、前記誘電体を介して前記第1電極と対向するように配置された第2電極とを具備し、前記誘電体は、前記第1表面の少なくとも一部を構成するように配置された第1誘電体層と、前記第1誘電体層の前記第1表面を構成する面とは反対側の面に積層され、前記第1誘電体層とは異なる材料からなる第2誘電体層とを備え、前記第1誘電体層は無機誘電体材料を含み、前記第2誘電体層は前記無機誘電体材料より絶縁破壊電圧及び比誘電率の少なくとも一方が大きい誘電体材料を含む。 A dielectric barrier discharge electrode of an embodiment comprises a dielectric having a first surface, a first electrode provided so as to be exposed on the first surface of the dielectric, and the first electrode through the dielectric. a second electrode arranged to face an electrode, the dielectric comprising: a first dielectric layer arranged to form at least a portion of the first surface; and the first dielectric a second dielectric layer laminated on a surface opposite to the surface constituting the first surface of the layer and made of a material different from that of the first dielectric layer, wherein the first dielectric layer is an inorganic dielectric and the second dielectric layer includes a dielectric material having at least one of a dielectric breakdown voltage and a dielectric constant higher than that of the inorganic dielectric material.

第1の実施形態の誘電体バリア放電装置を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a dielectric barrier discharge device of a first embodiment; FIG. 図1に示す誘電体バリア放電装置の第1変形例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a first modification of the dielectric barrier discharge device shown in FIG. 1; 実施形態で誘電体に用いられる代表的な材料の時間積算の放電エネルギーと掘れ量との関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between discharge energy accumulated over time and the amount of burrowing of typical materials used for the dielectric in the embodiment. 図1に示す誘電体バリア放電装置の第2変形例を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a second modification of the dielectric barrier discharge device shown in FIG. 1; 第2の実施形態の誘電体バリア放電装置を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a dielectric barrier discharge device of a second embodiment; 図5に示す誘電体バリア放電装置の第1変形例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a first modification of the dielectric barrier discharge device shown in FIG. 5;

以下、実施形態の誘電体バリア放電電極及び誘電体バリア放電装置について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。 A dielectric barrier discharge electrode and a dielectric barrier discharge device according to embodiments will be described below with reference to the drawings. In addition, in each embodiment, the same code|symbol may be attached|subjected to the substantially same component part, and the description may be partially abbreviate|omitted. The drawings are schematic, and the relationship between the thickness of each part and the planar dimension, the ratio of the thickness of each part, etc. may differ from the actual one.

(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態の誘電体バリア放電電極(DBD電極)及びそれを用いた誘電体バリア放電装置(DBD装置)を示す断面図である。図1に示すDBD装置1は、DBD電極2とそれに電圧を印加する電源3とを具備している。DBD電極2は、平板形状を有する誘電体4と第1電極5と第2電極6とを備えている。電源3は第1電極5及び第2電極6に電気的に接続されている。電源3は図2に示すように、第1電極5に電気的に接続され、第2電極6は接地(0V)されていてもよい。電源3から第1電極5及び第2電極6に電圧を印加することによって、放電を発生させてプラズマPが生成される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a dielectric barrier discharge electrode (DBD electrode) and a dielectric barrier discharge device (DBD device) using the dielectric barrier discharge electrode (DBD electrode) of the first embodiment. A DBD device 1 shown in FIG. 1 comprises a DBD electrode 2 and a power source 3 for applying a voltage thereto. The DBD electrode 2 includes a plate-shaped dielectric 4 , a first electrode 5 and a second electrode 6 . A power source 3 is electrically connected to the first electrode 5 and the second electrode 6 . The power supply 3 may be electrically connected to the first electrode 5 and the second electrode 6 may be grounded (0 V), as shown in FIG. By applying a voltage from the power supply 3 to the first electrode 5 and the second electrode 6, a discharge is generated and plasma P is generated.

DBD電極2において、第1電極5は誘電体4の第1表面4a上に露出するように、すなわち第1表面4a上の気体中に露出するように設けられており、例えば板状や箔状等の形状を有している。第2電極6は、誘電体4を介して第1電極5と対向するように配置されている。第1電極5と第2電極6は、誘電体4で絶縁されている。第2電極6は、誘電体4と接する面とは反対側の面が気体中に露出しないように、樹脂材や電極の設置土台等の絶縁材料からなるベース材7で覆われていてもよい。誘電体4の第1表面4aに露出された第1電極5は放電電極として機能するものであり、誘電体4を介して第1電極5と対向するように配置された第2電極6は対向電極として機能するものである。 In the DBD electrode 2, the first electrode 5 is provided so as to be exposed on the first surface 4a of the dielectric 4, that is, so as to be exposed to the gas on the first surface 4a. It has a shape such as The second electrode 6 is arranged to face the first electrode 5 with the dielectric 4 interposed therebetween. The first electrode 5 and the second electrode 6 are insulated by the dielectric 4 . The second electrode 6 may be covered with a base material 7 made of an insulating material such as a resin material or an electrode installation base so that the surface opposite to the surface in contact with the dielectric 4 is not exposed to the gas. . The first electrode 5 exposed on the first surface 4a of the dielectric 4 functions as a discharge electrode, and the second electrode 6 arranged to face the first electrode 5 with the dielectric 4 therebetween It functions as an electrode.

第1電極5と第2電極6との間に電圧を印加すると、第1電極5側の第1表面4a上の気体を電離させ、バリア放電が生じる。このようなバリア放電によって、第1電極5から誘電体4の第1表面4aに沿ってプラズマPが発生する。第1電極5及び第2電極6に印加する電圧の波形としては、交流波形又はパルス波形が使用される。交流の周波数としては、数Hzから数GHzまで使用することができる。交流の周波数は数kHzから数MHzが典型的であり、GHzオーダーのマイクロ波を使用することも可能である。さらに、商用電源周波数(50又は60Hz)も使用可能である。パルス波形としては、数ナノ秒から数100マイクロ秒の立ち上がり時間をもつ波形を使用ことができる。 When a voltage is applied between the first electrode 5 and the second electrode 6, the gas on the first surface 4a on the side of the first electrode 5 is ionized to generate barrier discharge. Plasma P is generated from the first electrode 5 along the first surface 4a of the dielectric 4 by such a barrier discharge. As the waveform of the voltage applied to the first electrode 5 and the second electrode 6, an AC waveform or a pulse waveform is used. The AC frequency can range from several Hz to several GHz. The frequency of alternating current is typically several kHz to several MHz, and it is also possible to use microwaves on the order of GHz. In addition, mains power frequency (50 or 60 Hz) can also be used. As the pulse waveform, a waveform having a rise time of several nanoseconds to several hundred microseconds can be used.

第1電極5が配置された誘電体4の第1表面4aは、上記したバリア放電及びプラズマPに晒されることになる。そこで、第1の実施形態のDBD電極2において、誘電体4はその第1表面4aを構成するように配置された第1誘電体層8と、第1誘電体層8の第1表面4aを構成する面とは反対側の面に積層された第2誘電体層9(9A)とを少なくとも有する積層体を備えている。バリア放電及びプラズマPに晒される第1誘電体層8には、耐放電性に優れる無機誘電体材料が用いられる。第1誘電体層8を構成する無機誘電体材料としては、例えば、熱膨張率が低く、耐熱性、耐薬品性、電気絶縁性等に優れる、無アルカリガラスやホウケイ酸ガラス等のガラス材料、アルミナセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、窒化ケイ素セラミックス等のセラミックス材料が好ましい。 The first surface 4a of the dielectric 4 on which the first electrode 5 is arranged is exposed to the barrier discharge and plasma P described above. Therefore, in the DBD electrode 2 of the first embodiment, the dielectric 4 has a first dielectric layer 8 arranged to constitute its first surface 4a, and the first dielectric layer 8 has a first surface 4a. A laminate having at least a second dielectric layer 9 (9A) laminated on the surface opposite to the constituting surface is provided. For the first dielectric layer 8 exposed to the barrier discharge and plasma P, an inorganic dielectric material having excellent discharge resistance is used. Examples of the inorganic dielectric material constituting the first dielectric layer 8 include glass materials such as alkali-free glass and borosilicate glass, which have a low coefficient of thermal expansion and are excellent in heat resistance, chemical resistance, electrical insulation, etc.; Ceramic materials such as alumina ceramics, aluminum nitride ceramics and silicon nitride ceramics are preferred.

ここで、典型的なバリア放電電極に広く使用される有機誘電体材料であるポリイミド樹脂を誘電体として使用した場合と、無機誘電体材料であるホウケイ酸ガラスを誘電体として使用した場合とにおいて、放電に曝される誘電体表面の損傷の比較実験の結果を図3に示す。図3は発明者等による誘電体表面の放電による損傷の比較実験の結果の一例であり、時間積算の放電エネルギー(放電積算エネルギー)と掘れ量との関係を示している。図3に示すように、放電に曝された誘電体表面の損傷は、有機誘電体材料のポリイミド樹脂に比べて、無機誘電体材料のホウケイ酸ガラスの方がはるかに小さい。同じ放電暴露の放電積算エネルギーに対する誘電体表面の掘れ量は、ホウケイ酸ガラスの方がポリイミド樹脂より1/8000以下であり、ホウケイ酸ガラスは放電暴露に対して耐久性に優れる誘電体であることが確認されている。 Here, when polyimide resin, which is an organic dielectric material widely used in typical barrier discharge electrodes, is used as the dielectric, and when borosilicate glass, which is an inorganic dielectric material, is used as the dielectric, FIG. 3 shows the results of comparative experiments on damage to dielectric surfaces exposed to discharge. FIG. 3 shows an example of the results of a comparative experiment conducted by the inventors on damage due to discharge on a dielectric surface, and shows the relationship between the discharge energy accumulated over time (accumulated discharge energy) and the amount of recess. As shown in FIG. 3, damage to the dielectric surface exposed to the discharge is much less for the inorganic dielectric material, borosilicate glass, than for the organic dielectric material, polyimide resin. Borosilicate glass is less than 1/8000 of the polyimide resin in terms of the dielectric surface recession with respect to the discharge integrated energy of the same discharge exposure, and borosilicate glass is a dielectric with excellent durability against discharge exposure. has been confirmed.

ポリイミド樹脂のような有機物の場合、放電で生成された反応性に富むラジカル(酸素(O)ラジカル等)により有機物表面のC原子の結合が切断され、そのC原子がOラジカル等と結合してCOやCOとなってガス化し、有機物表面から離脱していくことが考えられる。これによって、放電に曝される領域では有機物表面が時間と共に掘れ、誘電体厚み自体が減肉化していく。そして、最終的には、誘電体が電極間の印加電圧に耐えられなくなり、誘電体の固体絶縁破壊に至ってしまう。一方、上記したガラス材料やセラミックス材料等の無機物の表面は、Oラジカル等に晒された際の変質が少ないため、放電に曝される領域に配置しても無機物表面の掘れを抑制することができる。 In the case of organic materials such as polyimide resin, highly reactive radicals (oxygen (O) radicals, etc.) generated by discharge break the bonds of C atoms on the surface of the organic material, and the C atoms bond with O radicals, etc. It is conceivable that CO 2 or CO will be gasified and released from the surface of the organic matter. As a result, the surface of the organic substance in the region exposed to the discharge is dug over time, and the thickness of the dielectric itself is reduced. Ultimately, the dielectric becomes unable to withstand the voltage applied between the electrodes, leading to solid dielectric breakdown of the dielectric. On the other hand, since the surfaces of inorganic materials such as glass materials and ceramic materials described above undergo little deterioration when exposed to O radicals, etc., it is possible to suppress burrowing of the surfaces of the inorganic materials even if they are placed in a region exposed to discharge. can.

実施形態のDBD電極2においては、放電に晒される誘電体4の第1表面4aを無機誘電体材料を含む第1誘電体層8で構成している。これによって、放電に曝されることによる誘電体4の表面の掘れやそれによる減肉化、さらには減肉化等による誘電体4自体の耐絶縁性能の低下、及びDBD電極2の耐久性の低下を抑制することができる。第1誘電体層8の厚さは、誘電体4の厚さが1mm以下の範囲となる厚さであればよく、例えば5μm以上500μm以下であることが好ましい。第1誘電体層8の厚さが500μmを超えると、誘電体4の全体厚が厚くなりすぎて、DBD電極2の低電圧駆動を妨げる。一方、第1誘電体層8の厚さが5μm未満であると、無機誘電体材料を用いても十分な耐放電性や耐久性が得られないおそれがある。 In the DBD electrode 2 of the embodiment, the first surface 4a of the dielectric 4 exposed to discharge is composed of the first dielectric layer 8 containing an inorganic dielectric material. As a result, the surface of the dielectric 4 is dented by exposure to electric discharge, the thickness thereof is reduced, the insulation resistance of the dielectric 4 itself is lowered due to the thickness reduction, and the durability of the DBD electrode 2 is improved. Decrease can be suppressed. The thickness of the first dielectric layer 8 may be such that the thickness of the dielectric 4 is in the range of 1 mm or less. When the thickness of the first dielectric layer 8 exceeds 500 μm, the overall thickness of the dielectric 4 becomes too thick, which prevents the DBD electrode 2 from being driven at a low voltage. On the other hand, if the thickness of the first dielectric layer 8 is less than 5 μm, there is a possibility that sufficient discharge resistance and durability cannot be obtained even if an inorganic dielectric material is used.

実施形態のDBD電極2において、放電に晒されない第2誘電体層9Aに関しては、放電暴露による誘電体自体の損傷が発生しないため、耐放電性等は求められない。このため、耐放電性等に劣っていたとしても、耐絶縁性能に優れる誘電体材料を用いることができる。第2誘電体層9Aには、第1誘電体層8に用いる誘電体材料とは異なる材料であって、耐絶縁性能に優れる誘電体材料を用いることが好ましい。これによって、誘電体4の薄膜化構造を実現することができる。第2誘電体層9Aに用いる誘電体材料は、少なくとも絶縁破壊電圧が第1誘電体層8に用いる誘電体材料のそれより大きければよく、さらに100kV/mm以上の絶縁破壊電圧を有することが好ましい。 In the DBD electrode 2 of the embodiment, the second dielectric layer 9A, which is not exposed to discharge, is not required to have discharge resistance or the like because the dielectric itself is not damaged by discharge exposure. Therefore, even if the dielectric material is inferior in discharge resistance, etc., it is possible to use a dielectric material that is excellent in insulation resistance. For the second dielectric layer 9A, it is preferable to use a dielectric material that is different from the dielectric material used for the first dielectric layer 8 and has excellent insulation resistance. Thereby, a thinned structure of the dielectric 4 can be realized. The dielectric material used for the second dielectric layer 9A should have at least a dielectric breakdown voltage higher than that of the dielectric material used for the first dielectric layer 8, and preferably has a dielectric breakdown voltage of 100 kV/mm or more. .

第2誘電体層9Aに用いる誘電体材料には、例えば厚さ12.5μmでの絶縁破壊電圧が400kV/mmのポリイミド樹脂や厚さ100μmでの絶縁破壊電圧が130kV/mmのフッ素樹脂等の有機誘電体材料を用いることが好ましい。第2誘電体層9Aの厚さは、誘電体4の厚さが1mm以下の範囲となる厚さであればよく、例えば5μm以上500μm以下であることが好ましい。第2誘電体層9Aの厚さが500μmを超えると、誘電体4の全体厚が厚くなりすぎて、DBD電極2の低電圧駆動を妨げることになる。一方、第2誘電体層9Aの厚さが5μm未満であると、十分な耐絶縁性能を得られないおそれがある。 Dielectric materials used for the second dielectric layer 9A include, for example, polyimide resin with a dielectric breakdown voltage of 400 kV/mm at a thickness of 12.5 μm and fluorine resin with a dielectric breakdown voltage of 130 kV/mm at a thickness of 100 μm. Preferably, organic dielectric materials are used. The thickness of the second dielectric layer 9A may be such that the thickness of the dielectric 4 is in the range of 1 mm or less. If the thickness of the second dielectric layer 9A exceeds 500 μm, the total thickness of the dielectric 4 becomes too thick, which prevents the DBD electrode 2 from being driven at a low voltage. On the other hand, if the thickness of the second dielectric layer 9A is less than 5 μm, it may not be possible to obtain sufficient insulation resistance.

上記したように、放電に晒される誘電体4の第1表面4aを無機誘電体材料を含む第1誘電体層8で構成し、放電に晒されない部分を耐絶縁性能に優れる有機誘電体材料を含む第2誘電体層9Aで構成することによって、放電による誘電体4の表面の掘れやそれによる減肉化、さらには誘電体4自体の耐絶縁性能の低下や耐久性の低下を抑制した上で、誘電体4の薄膜化構造を実現し、DBD電極2の低電圧での駆動を実現することができる。DBD電極2の駆動電圧は、例えば1kV以下とすることが好ましい。従って、耐久性や信頼性に優れると共に、例えば1kV以下というような低電圧での駆動を実現したDBD電極2及びDBD装置1を提供することが可能になる。 As described above, the first surface 4a of the dielectric 4 exposed to the discharge is composed of the first dielectric layer 8 containing the inorganic dielectric material, and the portion not exposed to the discharge is composed of the organic dielectric material having excellent insulation resistance. By forming the second dielectric layer 9A including the second dielectric layer 9A, it is possible to suppress the surface erosion of the dielectric 4 due to discharge, the thickness reduction caused by the discharge, and furthermore, the deterioration of the insulation resistance performance and durability of the dielectric 4 itself. Therefore, a thin film structure of the dielectric 4 can be realized, and the DBD electrode 2 can be driven at a low voltage. It is preferable that the driving voltage of the DBD electrode 2 is, for example, 1 kV or less. Therefore, it is possible to provide the DBD electrode 2 and the DBD device 1 which are excellent in durability and reliability and can be driven at a low voltage such as 1 kV or less.

図1に示すDBD電極2においては、放電に晒される誘電体4の第1表面4a全体に第1誘電体層8を配置した構成を示したが、第1誘電体層8の配置はこれに限られるものではない。例えば、図4に示すように、第1誘電体層8は誘電体4の第1電極5側の第1層のうち、誘電体4の第1表面4a上における放電の形成領域(プラズマの形成領域P)のみに配置してもよい。言い換えると、第1誘電体層8は放電に晒されるような領域のみに配置してもよい。このように、第1誘電体層8は誘電体4の第1表面4aの少なくとも一部を構成するように配置することができる。 In the DBD electrode 2 shown in FIG. 1, the first dielectric layer 8 is arranged over the entire first surface 4a of the dielectric 4 exposed to discharge. It is not limited. For example, as shown in FIG. 4, the first dielectric layer 8 is the discharge formation region (plasma formation region) on the first surface 4a of the dielectric 4 among the first layers of the dielectric 4 on the first electrode 5 side. It may be arranged only in the area P). In other words, the first dielectric layer 8 may be placed only in those areas that are exposed to the discharge. Thus, the first dielectric layer 8 can be arranged to form at least part of the first surface 4 a of the dielectric 4 .

誘電体4の第1層(図1における第1誘電体層8が全体的に配置される領域)のうち、第1誘電体層8を除く領域には第3誘電体層10を配置することができる。すなわち、誘電体4の第1層は第1誘電体層8と第3誘電体層10との複合材料により構成することができる。この際、第3誘電体層10の構成材料は無機誘電体材料に限られるものでなく、各種の誘電体材料を適用することができ、その材料は特に限定されるものではない。第3誘電体層10は無機誘電体材料及び有機誘電体材料のいずれであってもよく、誘電体として機能すればその具体的な材料も特に限定されるものではない。 A third dielectric layer 10 is arranged in a region of the first layer of the dielectric 4 (the region where the first dielectric layer 8 in FIG. 1 is entirely arranged) except for the first dielectric layer 8. can be done. That is, the first layer of dielectric 4 can be composed of a composite material of first dielectric layer 8 and third dielectric layer 10 . At this time, the constituent material of the third dielectric layer 10 is not limited to an inorganic dielectric material, and various dielectric materials can be applied, and the material is not particularly limited. The third dielectric layer 10 may be either an inorganic dielectric material or an organic dielectric material, and the specific material is not particularly limited as long as it functions as a dielectric.

(第2の実施形態)
図5は第2の実施形態の誘電体バリア放電電極(DBD電極)及びそれを用いた誘電体バリア放電装置(DBD装置)を示す断面図である。図5に示すDBD装置1は、図1に示すDBD装置1と同様に、DBD電極2とそれに電圧を印加する電源3とを具備している。DBD電極2は、誘電体4と第1電極5と第2電極6とを備えており、図1に示すDBD電極2と同様に、誘電体4の第1表面4aに第1電極5が配置され、誘電体4を介して第1電極5と対向するように第2電極6が配置されている。図5に示す第2の実施形態のDBD装置1は、誘電体4の構成が第1の実施形態のDBD装置1と相違している。第2の実施形態のDBD装置1の第1の実施形態との相違点について、以下に詳述する。
(Second embodiment)
FIG. 5 is a sectional view showing a dielectric barrier discharge electrode (DBD electrode) and a dielectric barrier discharge device (DBD device) using the dielectric barrier discharge electrode (DBD electrode) of the second embodiment. Like the DBD device 1 shown in FIG. 1, the DBD device 1 shown in FIG. 5 comprises a DBD electrode 2 and a power source 3 for applying a voltage thereto. The DBD electrode 2 includes a dielectric 4, a first electrode 5, and a second electrode 6. The first electrode 5 is arranged on the first surface 4a of the dielectric 4, similar to the DBD electrode 2 shown in FIG. A second electrode 6 is arranged so as to face the first electrode 5 with the dielectric 4 interposed therebetween. The DBD device 1 of the second embodiment shown in FIG. 5 differs from the DBD device 1 of the first embodiment in the structure of the dielectric 4 . Differences of the DBD device 1 of the second embodiment from the first embodiment will be described in detail below.

図5に示すDBD電極2における誘電体4は、その第1表面4aを構成するように配置された第1誘電体層8と、第1誘電体層8の第1表面4aを構成する面とは反対側の面に積層された第2誘電体層9(9B)とを少なくとも備える積層体を備えている。バリア放電及びプラズマPに晒される第1誘電体層8には、第1の実施形態と同様に、耐放電性に優れる無機誘電体材料が用いられる。第1誘電体層8を構成する無機誘電体材料としては、例えば、熱膨張率が低く、耐熱性、耐薬品性、電気絶縁性等に優れる、無アルカリガラスやホウケイ酸ガラス等のガラス材料、アルミナセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、窒化ケイ素セラミックス等のセラミックス材料が好ましい。 The dielectric 4 in the DBD electrode 2 shown in FIG. comprises a laminate comprising at least a second dielectric layer 9 (9B) laminated on the opposite surface. For the first dielectric layer 8 exposed to the barrier discharge and the plasma P, an inorganic dielectric material with excellent discharge resistance is used as in the first embodiment. Examples of the inorganic dielectric material constituting the first dielectric layer 8 include glass materials such as alkali-free glass and borosilicate glass, which have a low coefficient of thermal expansion and are excellent in heat resistance, chemical resistance, electrical insulation, etc.; Ceramic materials such as alumina ceramics, aluminum nitride ceramics and silicon nitride ceramics are preferred.

第2の実施形態のDBD電極2において、放電に晒されない第2誘電体層9Bに関しては、放電暴露による誘電体自体の損傷が発生しないため、耐放電性等は求められない。このため、第2誘電体層9Bは第1誘電体層8に用いる誘電体材料とは異なる材料であって、高い比誘電率を有する誘電体材料により構成される。これによって、比誘電率が高い第2誘電体層9Bを適用することによって、DBD電極2の低電圧駆動が可能になる。第2誘電体層9Bに用いる誘電体材料は、少なくとも比誘電率が第1誘電体層8に用いる誘電体材料のそれより大きければよく、さらに3以上の比誘電率を有することが好ましい。 In the DBD electrode 2 of the second embodiment, the second dielectric layer 9B, which is not exposed to discharge, is not required to have discharge resistance or the like because the dielectric itself is not damaged by discharge exposure. Therefore, the second dielectric layer 9B is made of a dielectric material different from the dielectric material used for the first dielectric layer 8 and having a high dielectric constant. Accordingly, by applying the second dielectric layer 9B having a high dielectric constant, the DBD electrode 2 can be driven at a low voltage. The dielectric material used for the second dielectric layer 9B should have at least a dielectric constant higher than that of the dielectric material used for the first dielectric layer 8, and preferably has a dielectric constant of 3 or more.

第2誘電体層9Bに用いる誘電体材料には、例えば比誘電率が2.8~8.1のポリエステル樹脂、比誘電率が3~4のポリイミド樹脂等の有機誘電体材料、比誘電率が6~8のソーダ石灰ガラス、比誘電率が1200のチタン酸バリウム等の無機誘電体材料を用いることが好ましい。第2誘電体層9Bの厚さは、誘電体4の厚さが1mm以下の範囲となる厚さであればよく、例えば5μm以上500μm以下であることが好ましい。第2誘電体層9Bの厚さが500μmを超えると、誘電体4の全体厚が厚くなりすぎて、DBD電極2の低電圧駆動を妨げることになる。第2誘電体層9Bの厚さが5μm未満であると、十分な誘電特性が得られず、DBD電極2の低電圧駆動が妨げられるおそれがある。 Dielectric materials used for the second dielectric layer 9B include, for example, organic dielectric materials such as polyester resin with a relative dielectric constant of 2.8 to 8.1 and polyimide resin with a relative dielectric constant of 3 to 4; It is preferable to use an inorganic dielectric material such as soda-lime glass with a dielectric constant of 6 to 8 and barium titanate with a dielectric constant of 1200. The thickness of the second dielectric layer 9B may be such that the thickness of the dielectric 4 is in the range of 1 mm or less. If the thickness of the second dielectric layer 9B exceeds 500 μm, the overall thickness of the dielectric 4 becomes too thick, which prevents the DBD electrode 2 from being driven at a low voltage. If the thickness of the second dielectric layer 9B is less than 5 μm, sufficient dielectric properties cannot be obtained, and low voltage driving of the DBD electrode 2 may be hindered.

上記したように、放電に晒される誘電体4の第1表面4aを無機誘電体材料を含む第1誘電体層8で構成し、放電に晒されない部分を比誘電率に優れる有機又は無機誘電体材料を含む第2誘電体層9Bで構成することによって、放電による誘電体4の表面の掘れやそれによる減肉化、さらには誘電体4自体の耐絶縁性能の低下や耐久性の低下を抑制した上で、DBD電極2の低電圧での駆動を実現することができる。DBD電極2の駆動電圧は、例えば1kV以下とすることが好ましい。従って、耐久性や信頼性に優れると共に、例えば1kV以下というような低電圧での駆動を実現したDBD電極2及びDBD装置1を提供することが可能になる。 As described above, the first surface 4a of the dielectric 4 exposed to the discharge is composed of the first dielectric layer 8 containing an inorganic dielectric material, and the portion not exposed to the discharge is made of an organic or inorganic dielectric having an excellent relative dielectric constant. By forming the second dielectric layer 9B containing the material, it is possible to suppress the surface erosion of the dielectric 4 due to electric discharge, the thickness reduction caused by the discharge, and the deterioration of the insulation resistance and durability of the dielectric 4 itself. In addition, it is possible to drive the DBD electrode 2 at a low voltage. It is preferable that the driving voltage of the DBD electrode 2 is, for example, 1 kV or less. Therefore, it is possible to provide the DBD electrode 2 and the DBD device 1 which are excellent in durability and reliability and can be driven at a low voltage such as 1 kV or less.

図5に示すDBD電極2においては、放電に晒される誘電体4の第1表面4a全体に第1誘電体層8を配置した構成を示したが、第1誘電体層8の配置はこれに限られるものではない。第1の実施形態と同様に、第1誘電体層8は図6に示すように、誘電体4の第1表面4a上における放電の形成領域(プラズマの形成領域P)のみに配置してもよい。言い換えると、第1誘電体層8は放電に晒されるような領域のみに配置してもよい。第1誘電体層8を除く領域には、第1の実施形態と同様に、第3誘電体層10を配置することができる。誘電体4は、耐放電性能に優れる第1誘電体層8と第3誘電体層10との複合材料からなる第1層と、比誘電率に優れる有機又は無機誘電体材料を備える第2誘電体層9Bからなる第2層の積層体で形成してもよい。 In the DBD electrode 2 shown in FIG. 5, the first dielectric layer 8 is arranged over the entire first surface 4a of the dielectric 4 exposed to the discharge. It is not limited. As in the first embodiment, the first dielectric layer 8 may be arranged only in the discharge formation region (plasma formation region P) on the first surface 4a of the dielectric 4, as shown in FIG. good. In other words, the first dielectric layer 8 may be placed only in those areas that are exposed to the discharge. A third dielectric layer 10 can be arranged in a region other than the first dielectric layer 8, as in the first embodiment. The dielectric 4 is composed of a first dielectric layer 8 and a third dielectric layer 10 which are composed of a composite material having excellent resistance to discharge, and a second dielectric layer which is made of an organic or inorganic dielectric material having an excellent relative permittivity. It may be formed by a laminate of the second layer composed of the body layer 9B.

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 It should be noted that while several embodiments of the invention have been described, these embodiments are provided by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.

1…誘電体バリア放電装置、2…誘電体バリア放電電極、3…電源、4…誘電体、5…第1電極、6…第2電極、8…第1誘電体層、9(9A,9B)…第2誘電体層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Dielectric barrier discharge apparatus, 2... Dielectric barrier discharge electrode, 3... Power supply, 4... Dielectric, 5... First electrode, 6... Second electrode, 8... First dielectric layer, 9 (9A, 9B) ) . . . second dielectric layer.

Claims (10)

第1表面を有する誘電体と、
前記誘電体の前記第1表面上に露出するように設けられた第1電極と、
前記誘電体を介して前記第1電極と対向するように配置された第2電極とを具備し、
前記誘電体は、前記第1表面の少なくとも一部を構成するように配置された第1誘電体層と、前記第1誘電体層の前記第1表面を構成する面とは反対側の面に積層され、前記第1誘電体層とは異なる材料からなる第2誘電体層とを備え、
前記第1誘電体層は無機誘電体材料を含み、前記第2誘電体層は前記無機誘電体材料より絶縁破壊電圧及び比誘電率の少なくとも一方が大きい誘電体材料を含む、誘起体バリア放電電極。
a dielectric having a first surface;
a first electrode exposed on the first surface of the dielectric;
a second electrode arranged to face the first electrode with the dielectric interposed therebetween;
The dielectric is provided on a first dielectric layer arranged to constitute at least part of the first surface and on a surface of the first dielectric layer opposite to the surface constituting the first surface. A second dielectric layer laminated and made of a material different from that of the first dielectric layer,
The induced barrier discharge electrode, wherein the first dielectric layer contains an inorganic dielectric material, and the second dielectric layer contains a dielectric material having at least one of a dielectric breakdown voltage and a dielectric constant higher than that of the inorganic dielectric material. .
前記無機誘電体材料は、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミナセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、及び窒化ケイ素セラミックスからなる群より選ばれる少なくとも1つを含む、請求項1に記載の誘起体バリア放電電極。 2. The inductive barrier discharge electrode according to claim 1, wherein said inorganic dielectric material includes at least one selected from the group consisting of non-alkali glass, borosilicate glass, alumina ceramics, aluminum nitride ceramics, and silicon nitride ceramics. 前記第2誘電体層は、前記無機誘電体材料より絶縁破壊電圧が大きい有機誘電体材料を含む、請求項1又は請求項2に記載の誘起体バリア放電電極。 3. The induced barrier discharge electrode according to claim 1, wherein said second dielectric layer includes an organic dielectric material having a dielectric breakdown voltage higher than that of said inorganic dielectric material. 前記有機誘電体材料は100kV/mm以上の絶縁破壊電圧を有する、請求項3に記載の誘起体バリア放電電極。 4. The inductive barrier discharge electrode according to claim 3, wherein said organic dielectric material has a dielectric breakdown voltage of 100 kV/mm or more. 前記有機誘電体材料は、ポリイミド樹脂及びフッ素樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1つを含む、請求項3又は請求項4に記載の誘起体バリア放電電極。 5. The inductive barrier discharge electrode according to claim 3, wherein said organic dielectric material contains at least one selected from the group consisting of polyimide resin and fluororesin. 前記第2誘電体層は、前記無機誘電体材料より比誘電率が大きい有機又は無機誘電体材料を含む、請求項1又は請求項2に記載の誘起体バリア放電電極。 3. The induced barrier discharge electrode according to claim 1, wherein said second dielectric layer includes an organic or inorganic dielectric material having a dielectric constant greater than that of said inorganic dielectric material. 前記有機又は無機誘電体材料は3以上の比誘電率を有する、請求項6に記載の誘起体バリア放電電極。 7. The inductive barrier discharge electrode of claim 6, wherein said organic or inorganic dielectric material has a dielectric constant of 3 or greater. 前記有機又は無機誘電体材料は、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ソーダ石灰ガラス、及びチタン酸バリウムからなる群より選ばれる少なくとも1つを含む、請求項6又は請求項7に記載の誘起体バリア放電電極。 8. The inductive barrier discharge electrode according to claim 6, wherein said organic or inorganic dielectric material includes at least one selected from the group consisting of polyester resin, polyimide resin, soda lime glass, and barium titanate. . 前記第1誘電体層は、前記第1表面上の気体を電離して形成される放電領域に少なくとも晒されるように配置され、
前記第2誘電体層は、前記放電領域に晒されないように配置される、請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の誘起体バリア放電電極。
The first dielectric layer is arranged to be exposed to at least a discharge region formed by ionizing gas on the first surface,
9. The inductive barrier discharge electrode of any one of claims 1 to 8, wherein said second dielectric layer is arranged so as not to be exposed to said discharge region.
請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の誘起体バリア放電電極と、
前記誘起体バリア放電電極の少なくとも前記第1電極に電気的に接続された交流電源と
を具備する誘起体バリア放電装置。
an inductive barrier discharge electrode according to any one of claims 1 to 9;
an AC power source electrically connected to at least the first electrode of the inductive barrier discharge electrodes; and an inductive barrier discharge device comprising:
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