JP3990285B2 - 大気圧で低温プラズマを発生させる装置 - Google Patents

Description

本発明は、低い放電開始及び保持電圧のもとで大気圧下で高密度の低温プラズマを発生させる装置に関する。

一般に、プラズマは、ほぼ同等な数の正及び負の自由電荷を有するので電気的に中性で、部分イオン化されたガスと定義される。イオン化が起こる温度に応じて高温及び低温プラズマに分けられる前記プラズマは化学的及び物理的に反応性が非常に高い。
低温プラズマは、金属、半導体、ポリマー、ナイロン、プラスチック、紙、繊維及びオゾンなどの各種物質の合成、物質の表面特性の修正、接合強度、染色特性、印刷能などの各種特性の向上などに用いられる。従って、低温プラズマは、半導体、金属、セラミック薄膜合成及び洗浄などの様々な分野に広く用いられている。

この低温プラズマは、通常、低圧下の真空容器内で発生させるが、真空を保持するためには、通常、高価の装置が必要である。また、処理物が大きい場合、プラズマを適用することが難しい。プラズマ処理に係るもう１つの問題点は、プラズマプロセスの自動化の難しさにある。さらに、プラズマは、ゴム、生体材料などの高蒸気圧または脱ガスを伴う材料を処理することが難しい。

これらの問題点を避けるために、コロナ放電（corona discharge）、誘電体バリア放電（dielectric barrier discharge）及びグロー放電（glow discharge）などの、大気圧下で低温のプラズマを発生させる技術が開発された。これらの技術は、前述の分野に加えて、オゾンなどの各種化学物質の合成、消毒、除毒、及び真空中でのプラズマ処理が難しい材料の合成工程などの多様な分野で用いられている。

コロナ放電は、電圧勾配がしきい値を超える場合、伝導体の表面及びその近傍の表面上に青紫色のグロー（glow）として現われる電気放電である。一般的に、金属のような伝導性材料からなる２つの電極に高電圧を加えることにより、電極でストリーマ（streamer）プラズマが発生する。２つの電極間の間隙が非常に狭い状態で電圧を加えるとアークが発生し、これは直径の非常に小さい線状プラズマを形成するので、プラズマがアーク放電の発生を防止するために、電圧を断続的に印加するか、電極に抵抗を加える。

誘電体バリア放電は、誘電分極により引き起される集積電荷を用いて放電停止状態の逆電位を形成することであって、即ち、パルス放電の利点を利用してアーク放電の発生を防ぐ。
コロナ放電の場合、均一ではなく、ストリーマの形態としての密度の小さいプラズマが発生する。また、コロナ放電は２つの電極間の間隙が狭いため、３次元形状の処理物には適用することは難しい。更に、コロナ放電と関連した他の問題点として、ノイズの発生と短い電極寿命がある。

誘電体バリアの放電法は、均一なプラズマを提供するが、コロナ放電法と同様に、広い面積にわたって均一な拡散プラズマを発生させるのは容易でない。アーク放電の発生を防止するための別の手段を備えた場合、誘電体バリア放電法によるプラズマは密度が低く、２つの電極間の間隙が狭いため、処理物の大きさ及び形状が制限される。

また、前記コロナ放電法と誘電体バリア放電法の両方とも、アルゴン、酸素、及び窒素などの高い放電開始及び保持電圧の気体を用いる場合、高電圧の電源供給装置が必要である。しかし、電源供給装置は高コストであり、電力の消耗量が大きいため、装置の運転及び管理に問題がある。

したがって、本発明の目的は、前述のような従来技術の問題点を克服し、新たな構造の電極を用いてプラズマがアーク放電へ変換するのを防止し得る大気圧下での低温プラズマの発生装置を提供することである。
本発明の他の目的は、放電電圧が低く、電源供給手段の作動及び装備コスト、並びに電力消費を軽減し得るプラズマ発生装置を提供することである。

本発明のまた他の目的は、広周波数範囲の交流及びパルス直流の使用による利点を有するプラズマ発生装置を提供することである。
更に、本発明のまた他の目的は、窒素、酸素、及び空気などの放電開始電圧の高い気体中で放電し得るプラズマ発生装置を提供することである。

更にまた、本発明のまた他の目的は、広い面積にわたって低い放電電圧により均一、かつ高密度の低温プラズマを発生させることができるプラズマ発生装置を提供することである。

本発明に基づいて、これらの目的は、１つは電源に連結され、もう１つは接地され、互いに離隔して対向する一対の電極；前記電極の対向表面上に互いに対向するように配置された２５μｍ〜１０ｍｍ厚さの一対の誘電体（これらのうち１つは少なくとも１つの放電間隙（discharge gap）を有する）；及び前記放電間隙内に位置する少なくとも１つの突起部を有する導体電極を含み、前記電極に電源を通じて５０Ｈｚ〜１０ＧHｚ周波数帯域のパルス直流または交流を用いて１〜１００ＫＶ／ｃｍの強さで電場を印加するとともに、前記電極の間へ反応ガスを供給し、大気圧下で低温プラズマを発生させる装置を提供することにより達成できる。

本発明の低温プラズマの発生装置は、下記の利点を有する。
先ず、中空陰極放電、毛細管放電、又は高集積の電場の発生を誘導するに適した大気圧下でのプラズマ発生装置は、プラズマがアークに転移するの現状を防止し、従って安定した低温プラズマが高密度で得られる。

次に、本発明の装置は、非常に低い電圧で放電を開始及び保持でき、広域の周波数を用いることができ、また消費電力が少なくて低コストで製作できる。
本発明の装置から発生したプラズマは、金属、ゴム、繊維、紙、合成樹脂、及び半導体などの各種材料の接合、研磨、洗浄、薄膜蒸着、滅菌、消毒、オゾン発生、印刷、染色、エッチングなどの多様な工程に活用できる。また、プラズマは、水道水及び廃水浄化、空気、ＳＯｘ、ＮＯｘなどの自動車の排気ガスの浄化、燃料の燃焼、高発光ランプの製作などの分野にも活用できる。

本発明の好ましい実施形態の応用は、添付の図面を参照すれば最も良く理解でき、図面における同一な参照番号は同一な相応部分に対して用いられる。
第１の実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態による大気圧下で低温プラズマを発生させる装置に用いる電極構造を示す断面図である。本発明の第１の実施形態においては、大気圧下で低温プラズマの発生に板構造の電極を用いる。

図1に示したように、本発明に係るプラズマ発生装置は、互いに対向するように配置された一対の電極１、２を有する。前記２つの電極のうち１つは電源６に連結され、もう１つの電極は接地される。電源６が直流を提供する際には接地された電極は陽極２であり、電源６と連結された電極が陰極１として設定される。２つの電極は、ステインレス鋼、アルミナ又は銅からなることが好ましい。

前記電極１、２に各々誘電体３、４が装着され、これらは互いに対向するように配列される。前記誘電体３、４は、プラズマの発生を容易にするためには、２５μｍ〜１０ｍｍ範囲の厚さを有することが好ましい。電源に連結された電極１に装着された誘電体３には、その表面に対して垂直に貫通した放電間隙７が提供される。一方、接地された電極２の表面に装着された誘電体４には放電間隙がない。即ち、垂直に穿孔された放電間隙を有する誘電体が電源６と連結された電極１に装着され、放電間隙のないもう１つの誘電体が接地された電極２に装着され、前記２つの誘電体は互いに対向するように配置される。

各々の放電間隙７には、一定の幅ａと高さｂを有する導体電極５が前記電極１から突出するように配置される。前記導体電極５には、図３（ａ）、３（ｂ）または３（ｃ）に例示された形態の突起部（tip）８、８’又は８”が形成されてもよい。電源６から電場が印加されると、前記導体電極５は、突起部８、８’又は８”で電荷を集積し、集積された電荷の放電を容易にする。また、前記突起部８、８’又は８”は、放電間隙７の幅ａ及び高さｂを調整する機能をする。

導体電極５に形成された突起部は、図３（ａ）、３（ｂ）及び３（ｃ）に示したように、三角、四角、円頭状の断面を有するものであってもよい。また、前記突起部は、その他の多様な形態からなっていてもよい。前記突起部は、高さｄが幅ｃの０．１〜２０倍であり、長さ１０ｍｍ当たり１〜１００個の密度で存在することが好ましい。

突起部の大きさ及び数を制限する理由は、その範囲を外れる場合、突起部での電荷の集積効果が十分ではないため、放電開始及び保持電圧を低めることができず、高密度のプラズマが得られなく、またプラズマを均一に発生させることが難しいためである。
板構造の電極を有する装置に対して、電源６と連結された電極１に誘電体３が装着され、接地された電極２に誘電体４が装着されると説明したが、本発明はこれに限らず、多様な構造を有し得ることはいうまでもない。例えば、誘電体３、４が配置される電極１、２の位置を変更してもよい。即ち、放電間隙７を有する誘電体３を、接地された電極２に装着し、放電間隙７がない誘電体４を電源に連結された電極１に装着してもよい。また、２つの電極１、２のいずれかに放電間隙７を有する誘電体を設け、その他の電極には誘電体を装着しなくてもよい。

前記誘電体は、高温に耐えることができ、かつ誘電特性が優れるように、厚さが２５μｍ〜１０ｍｍの範囲であることが必要である。前記誘電体は、ガラス、アルミナ、窒化ホウ素、炭化珪素、窒化珪素、石英、及び酸化マグネシウムからなる群から選択された材料からなることが好ましい。

前記誘電体３に放電間隙７がない場合、高い電圧を加えなければプラズマを発生させることができなく、発生したプラズマは低密度を有するようになる。これに対して、誘電体３に放電間隙７と突起部８を有する導体電極５が備えられると、電極１、２、５に加えられた電場が突起部に集積され、その強さが大きくなり、これにより、放電間隙７での中空陰極放電（hollow cathode discharge）及びキャピラリ放電（capillary discharge）の効果が得られる。従って、プラズマの発生に必要な電圧が低くなり、密度が高く、かつ安定したプラズマが得られる。

誘電体を垂直に貫通する放電間隙７は、幅ａが５μｍ〜２ｍｍ、高さｂが幅ａの５〜２５０倍の範囲であることが好ましい。前記幅と高さが当該限定範囲を外れるとキャピラリ放電及び中空陰極放電が起こらないため、放電開始及び保持電圧を所望の数値に低めることができない。また、安定した高密度プラズマが発生せず、プラズマがアークに変換するのを抑制できない。
第２の実施形態
図２は、本発明に係る他の実施形態により、大気圧下で低温プラズマを発生させる装置に用いる電極構造を示す断面図である。この実施形態において、本発明は大気圧で低温プラズマを発生させることができる装置に管構造の電極を採用する。

図２に示したように、内周面（inner circumstance）に誘電体３’が取り付けられた管状（tubular）電極１’が提供されている。前記管状電極１’の中心軸に沿い、管状電極１’と同じ中心軸を有するシリンダ型コア電極２’が、管状電極１’の内部表面に取り付けられた誘電体３’と一定な距離をおいて配置される。図示してはいないが、前記各電極の２つの末端は適切に絶縁されたままで支持固定される。コア電極２’の外周面には、またもう一つの誘電体４’が固定され、前記誘電体４’には多数の放電間隙７’が一定の間隙で設けられる。

前記誘電体３’、４’の厚さは、前述の第１の実施形態と同様に設定することができる。また、前記放電間隙７の幅ａと高さｂに対しても前述の第１の実施形態と同様な制限が適用される。コア電極２’の外周面には幅ａと高さｂとを有する放電間隙７に合う導体電極５が備えられる。前記導体電極５には、更に図３に示される形状の突起部が提供される。

管状電極１’は接地され、コア電極２’は電源６に連結される。
しかし、管構造において、前記電極１’、２’及び誘電体３’、４’の設置、形状、並びに配列関係は多様に変形可能である。
プラズマの発生のためには、前記第１及び第２の実施形態の装置に電源６を通じて５０Ｈｚ〜１０ＧＨｚ周波数帯域のパルス直流又は交流を、１〜１００ＫＶ／ｃｍの強さの電場を加える。前記電場の存在下で、放電間隙の突起部と対向電極との間で放電が行われプラズマが発生する。

本発明の装置を用いて広い面積の均一なプラズマを安定的に発生させることができる。
本発明の装置で発生したプラズマを、金属、ゴム、繊維、紙、またプラスチック、ナイロン、エポキシのような合成樹脂などの各種材料の表面に照射して材料表面の特性を、接合、研磨、洗浄、薄膜蒸着、染色、印刷などに適合するように変更できる。

更に、プラズマは、毒劇物の除去とか、汚染された空気の浄化にそのまま用いることができる。その上、プラズマをオゾンの製造に用い、このオゾンを水道水の滅菌及び消毒、廃水浄化、ＳＯ_ｘ、ＮＯ_ｘなどの自動車の排気ガスの浄化、及び自動車エンジンにおける燃料の完全燃焼に活用できる。また、前記プラズマを用いて光化学反応に有用な非常に明るい電灯を製造し、これを光化学反応工程だけでなく各種表面処理工程に活用できる。

例えば、前記誘電体が取り付けられた電極の間に空気、水蒸気、酸素、窒素、水素、アルゴン、ヘリウム、メタン、アンモニア、四フッ化炭素、アセチレン、プロパンなどの各種反応ガスを単独、又は混合して供給した後、電源を通じて高電場を加えてプラズマを発生させる。このプラズマは、接合、研磨、薄膜蒸着、殺菌、消毒、オゾン製造、染色、印刷、エッチング、水処理、空気、及び自動車の排気ガスの浄化、自動車エンジンにおける燃料の完全燃焼、高輝度の電灯の製造などに有用に活用できる。

本実施例は、第２の実施形態と同様なプラズマ発生装置を用い、この装置は２つの電極板１、２が互いに対向する構造で配列され、前記電極１、２が互いに対向する面の各々には誘電体が提供されている板構造を採用した。前記誘電体３、４の１つに誘電体３に幅２００μｍ、高さ２ｍｍの放電間隙７を複数形成した。導体電極５には図３（ａ）のような形状の幅ｃの２ｍｍ、高さｄの１．５ｍｍの突起部８を備えた。７ｍｍの間隙をおいた２つの電極１、５の間にヘリウムガスを供給しながら、５０ｋＨｚ範囲の直流バイポーラパルス電源を印加して大気圧で放電を起した。

その結果、約１ｋＶを用いて放電を開始し、保持電圧は約０．７ｋＶであった。このような条件下で高密度のプラズマをアークの発生なしに安定的に発生させた。
大気圧でヘリウムガス中での放電開始電圧は約３．７ｋＶと測定された。電極間の距離が７ｍｍである場合、放電開始電位として約２．６ｋＶが必要であった。

前述のように、本発明の低温プラズマの発生装置は、下記の利点を有する。
先ず、中空陰極放電、毛細管放電、又は高集積の電場の発生を誘導するに適した大気圧下でのプラズマ発生装置は、プラズマがアークに転移するの現状を防止し、従って安定した低温プラズマが高密度で得られる。

次に、本発明の装置は、非常に低い電圧で放電を開始及び保持でき、広域の周波数を用いることができ、また消費電力が少なくて低コストで製作できる。
最後に、前記装置は、広面積にわたって均一なプラズマを高密度で生成できる。このプラズマは、高エネルギのラジカルを形成して接合、研磨、洗浄、薄膜蒸着、殺菌、消毒、オゾンの製造、印刷、エッチング、水道水、及び廃水浄化、空気、並びに自動車排気ガスの浄化、燃料の完全燃焼、高輝度のランプの製造などの各種分野に広く活用できる。この場合、前記プラズマは優れた結果を示し、処理時間を大幅に減らすことができる。

本発明を例示的に説明したが、用いられた用語は、ただ例示的なものであるだけであり、これに制限されないことを理解しなければならない。前述の開示内容に考慮して本発明に対して多様な変更及び調整が可能である。従って、添付の請求範囲の範囲内において、本発明は具体的に述べられたものと異なって実施できることを理解しなければならない。

本発明の第１の実施形態による、大気圧下で低温プラズマを発生させる装置に用いるに適合した板構造の電極の概略的な構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態による、大気圧下で低温プラズマを発生させる装置に用いるに適合した管構造の電極の概約的な構成を示す断面図である。

導体電極に提供される起部（tip）を示す例示図である。

符号の説明

１、２…電極 ３、４、…誘電体 ５…導体電極 ６…電源 ７…放電間隙 ８…突起部

Claims (4)

1. １つは電源に連結され、もう１つは接地され、互いに離隔して対向する一対の電極；
   前記一対の電極上に、互いに対向するように配列された２５μｍ〜１０ｍｍ厚さの一対の誘電体；
   前記一対の電極のうち電源に連結された電極上に装着された誘電体に、その表面に対して垂直に貫通するように提供された放電間隙；及び
   前記放電間隙内に配置され、前記接地されたもう１つの電極の方向に延伸する少なくとも１つの突起部を有する導体電極を含み、
   前記電極に電源を通じて５０Ｈｚ〜１０ＧＨｚ周波数帯域のパルス直流又は交流を用いて１〜１００ｋＶ／ｃｍの強さで電場を印加しながら前記電極の間へ反応ガスを供給して大気圧下で低温プラズマを発生させる装置。
2. 放電間隙の幅が５μｍ〜２ｍｍで、高さが幅の５〜２５０倍である、請求項１に記載の装置。
3. 突起部が幅の０．１〜２０倍の高さを有し、電極長さ１０ｍｍ当り１〜１００個の密度で存在する、請求項１に記載の装置。
4. 誘電体がガラス、アルミナ、窒化ホウ素、炭化珪素、窒化珪素、石英（quartz）及び酸化マグネシウムからなる群から選択された絶縁材料からなる、請求項１又は２に記載の装置。

Images