JP5539650B2 - マイクロプラズマ装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ放電またはマイクロプラズマ装置としても知られているマイクロキャビティプラズマ装置に関する。

１ｍｍより小さい独特な三次元のキャビティに閉じ込められたプラズマであるマイクロキャビティプラズマには、従来の巨視的な放電に比べて、いくつかの明確な利点がある。例えば、マイクロキャビティプラズマ装置の小さい物理的な大きさは、巨視的な放電例えば蛍光ランプで生成されるものに利用できるものよりも遙かに高いガス圧または蒸気圧でそれらを操作することを可能にする。マイクロキャビティの直径が例えば２００−３００μｍ以下のオーダーであるとき、装置は、ほぼ大気圧またはそれ以上の圧力で操作できる。逆に、標準の蛍光ランプは、典型的な例では、大気圧の１％より低い圧で操作される。また、マイクロプラズマ装置は、異なる放電媒体（ガス、蒸気またはこれらの組み合わせ）で操作されて、スペクトルの可視域、紫外域および赤外域の部分で放電される光を生ずる。マイクロプラズマ装置の他の独特な特徴であるプラズマへの大きな力の付与（典型的な例では、数十ｋＷ／ｃｍ^３以上）は、周知の光学的エミッターである原子および分子の能率的な生成に部分的に関係がある。その結果、上記の高圧操作およびそれらの電子およびガス温度を含むマイクロプラズマ装置の性質のために、マイクロプラズマは、光学的放射の有効な源である。

マイクロキャビティプラズマ装置は、広範囲の応用について過去１０年間開発されてきている。或るアレイのマイクロプラズマに関する応用例は、ディスプレイの領域である。例えば１０μｍのような形の大きさ（ｄ）を有する単一の円筒状のマイクロプラズマ装置が提供されているので、装置または装置の群が、ディスプレイのピクセルに望ましい空間の分解を提供する。さらに、マイクロキャビティプラズマ装置によりプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）の中心で紫外線を発生する能率は、現在プラズマテレビジョンで使用されている放電構造のそれを顕著に超えている。

初期のマイクロプラズマ装置は、直流電圧（ＤＣ）により駆動され、そして金属電極に対するスパッタリング損傷を含むいくつかの理由により、寿命が短かった。装置のデザインおよび製造における改良は、寿命を顕著に延ばしたが、材料のコストを最低にし、そして大きなアレイを製造することについて、主要な努力が払われることが続いている。また、時間とともに変化する電圧により励起する最近開発されたマイクロプラズマ装置は、主な懸念が寿命であるときに、好ましい装置である。

マイクロキャビティプラズマ装置は、モリブデン、セラミックス、珪素およびポリマー／金属フィルム構造を含む種々の材料で製造されている。マイクロキャビティは、エッチング、機械によるドリリングおよびレーザーアブレーションを含む種々の技術により製造されている。これらの製造技術のそれぞれは、１つ以上の欠点を有する。例えば、レーザーアブレーションおよび機械によるドリリングでは、マイクロキャビティのサイズは、典型的な例では、約５０μｍに制限され、より小さいサイズは作るのが難しい。さらに、アブレーションおよびドリリングの方法により形成されるマイクロキャビティの断面は、完全に均一ではない。ドリリングの場合、ドリルのバイトの機械的な摩耗および機械的な許容度は、正確な大きさのコントロールおよび再現性の達成をさまたげる。また、キャビティドリリング方法のシリアル性は、マイクロキャビティプラズマ装置の大きなアレイの製造が不可能になるほど、加工の時間を長くしコストを上げる。他の欠点は、マイクロキャビティの形成に使用される技術が、他の特徴例えばチャンネルを生成するのに容易に適合しないことである。

イリノイ大学における本発明者および協力者による研究は、マイクロキャビティプラズマ装置の技術を開拓し進歩させた。この作業は、１つ以上の重要な形および構造を有する実際的な装置をもたらした。これらの装置の多くは、数十ｋＷ−ｃｍ^−３から１００ｋＷ−ｃｍ^−３を超える力の負荷で連続的に操作できる。実現した装置の１つは、光学的増幅器およびレーザーを働かすようにデザインされたマイクロプラズマの複数セグメントの線状アレイである。また、半導体における正孔プラズマにより気相（または蒸気相）プラズマとインターフェースする能力も提供される。半導体およびマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭｓ）の業界により開発されてきた製造方法のほとんどは、これらのマイクロキャビティプラズマ装置の多くを製造するのに採用されてきている。

珪素ＩＣ製造方法の使用は、マイクロキャビティプラズマ装置およびアレイのサイズおよびコストをさらに低減させている。マイクロ機械加工のバッチ的な性質のために、装置の性能の特徴が改善されるばかりか、大きなアレイの製造のコストも低下する。精密な許容度および高い密度で大きなアレイを製造する能力は、これらの装置をディスプレイへ応用することを魅力あるものにする。マイクロ放電装置の開発における重要な工程を示しているが、マイクロ機械加工のアプローチも制限がある。１つの制限は、個々のアレイのサイズが珪素基体のサイズに制限されることである。第二に、装置のコストは、基体のコストにより決定されるばかりか、バッチにおける各ウェーハー上の高価な一連のフォトリトグラフィー、薄膜溶着およびエッチングの工程を行うコストにより決定される。最後に、珪素ウェーハーは、利用できる加工のオプションが広範囲なために便利な基体であるが、珪素は、光学的に不透明な材料であり、そのため、種々の応用例えばヘッドアップディスプレイ、或いはアレイ中のマイクロキャビティプラズマ装置間の可視光の横方向への伝達またはカップリングを要する応用には適していない。

イリノイ大学における本発明者および協力者によるこの研究は、優れた実際的な装置をもたらした。例えば、半導体製造方法は、均一な放電の特性を示す密に詰まったアレイのマイクロプラズマ装置を製造するのに採用されてきている。珪素により製造されるアレイは、２５ｃｍ^２の作用面積において約２５００００マイクロプラズマ装置からなり、アレイ中の各装置は、典型的な例として、５０μｍ×５０μｍの放電開口を有する。このようなアレイは、プラズマディスプレイパネルに類似した方法で蛍光体を励起するのに使用できるが、光能率の値が従来のプラズマディスプレイパネルにより現在達成できないものであることが示されている。他の重要な装置は、高感度を示すマイクロキャビティプラズマ光検出器である。アレイに分散するマイクロプラズマの位相同期も示されている。

以下の米国特許および特許出願は、研究の結果から得られたマイクロキャビティプラズマ装置を記述している。特許文献１は、マイクロ放電装置およびアレイに関し、特許文献２は、マイクロ放電装置およびアレイに関し、特許文献３は、マイクロ放電光検出器に関し、特許文献４は、テーパーされたマイクロキャビティを有するマイクロ放電装置およびアレイに関し、特許文献５は、マイクロ放電装置およびアレイに関し、特許文献６は、マイクロ放電光検出器に関し、特許文献７は、マイクロ放電を励起する方法および装置に関し、特許文献８は、マイクロ放電装置およびアレイに関し、特許文献９は、多層セラミックマイクロ放電装置に関し、特許文献１０は、高圧アークランプ補助開始装置および方法に関し、特許文献１１は、マイクロ放電ランプおよびアレイに関し、特許文献１２は、マイクロ放電ランプ形成方法に関し、特許文献１３は、マイクロ放電ランプに関する。

特許文献１０は、マイクロキャビティプラズマ装置のアレイを開示しており、それは、個々の装置が、セラミックスを含む材料から機械加工されたアセンブリに設けられている。金属性の電極は、マイクロキャビティ内でそして電極の間に発生するプラズマ媒体に曝されている。特許文献１１は、また、マイクロキャビティプラズマ装置のアレイを開示しており、基体がセラミックであり珪素または金属のフィルムがその上に形成されているアレイを含む。マイクロキャビティの頂部および底部に配置されている電極は、放電媒体と接触している。特許文献１４は、低温度セラミック構造で生成されるマイクロキャビティプラズマを開示している。重ねられたセラミック層は、キャビティを形成するように配置されマイクロ機械加工され、そして介在する電導体層は、プラズマ媒体を励起する。特許文献１５は、電極がプラズマ／放電媒体と接触している中空のカソード放電装置を開示している。
マイクロキャビティプラズマ装置は、また、フォトリトグラフィー技術によりエッチングできるガラスに製造される。例えば非特許文献１参照。珪素による構造物と同じく、アレイのサイズは、基体のサイズおよび表面域（フォトリトグラフィーにより接触してパターン化される）に制限される。アレイのコストは、複数のフォトリトグラフィー工程を行うコストに支配される。

マイクロキャビティプラズマ装置の開発は、ディスプレイ市場および生体医学の応用の市場に重点をおいて続けられている。ディスプレイにおけるマイクロキャビティプラズマ装置の窮極の有用性は、効力（前述された）、寿命およびアドレス可能性を含むいくつかの重要なファクターに懸かっている。特に、アドレス可能性は、ほとんどのディスプレイの応用で致命的である。例えば、ピクセルからなるマイクロキャビティ放電の群では、各マイクロプラズマ装置は、個々にアドレス可能でなければならない。

米国特許出願２００５０１４８２７０ 米国特許出願２００４０１６０１６２ 米国特許出願２００４０１００１９４ 米国特許出願２００３０１３２６９３ 米国特許６８６７５４８ 米国特許６８２８７３０ 米国特許６８１５８９１ 米国特許６６９５６６４ 米国特許６５６３２５７ 米国特許６５４１９１５ 米国特許６１９４８３３ 米国特許６１３９３８４ 米国特許６０１６０２７ 米国特許出願２００３０２３０９８３ 米国特許出願２００２００３６４６１ Ｋｉｍ，Ｓ．Ｏ．ａｎｄ Ｊ．Ｇ．Ｅｄｅｎ，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．１７，１５４３（２００５）

現在のフラットパネルディスプレイの解決策は、多くの欠点を有する。広く採用されてきたフラットパネルディスプレイ技術は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）およびプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）を含む。これらの技術は、大きなスクリーンフォーマット例えばテレビジョンに広く採用されてきている。ＬＣＤは、また、コンピューターディスプレイにも使用されている。携帯情報端末のようなコンパクトエレクトロニック装置も、高コントラスト、輝度、高解像度ディスプレイから利益を得ている。

プラズマディスプレイパネルは、高鮮明度ディスプレイとして広く使用されている。ＰＤＰに関する基本的な技術は１９６０年代に遡るが、プラズマディスプレイに関して開発された材料、デザインおよび製造方法は、過去２０年間に発展して、ＰＤＰ用の高解像度、長寿命および高輝度のマイクロプラズマディスプレイアレイが現在可能になった。個々のＰＤＰセル（ピクセルあたり３つのセル、赤、青、緑）は、（ｄ）＞３００μｍの独特な大きさを有し勝ちであり、ｐｄ（圧力×電極間隔）スケーリングデザインのルールは、名目４００−５００トルの全ガス圧をもたらす。その結果、ＰＤＰは、大気圧に十分抵抗できるほど強い（すなわち厚い）囲み（通常ガラス）内に熱的にシールされねばならず、このファクターは、これらのディスプレイの望ましくないほど重い重量に、主として関係する。

マイクロキャビティプラズマ装置の使用を可能にすると思われる実際上のデザインは、フラットパネルディスプレイ業界の情勢を変えるものと考えられる。標準のフラットパネルディスプレイ技術に比べて、マイクロプラズマ装置は、例えばより小さいピクセルサイズの可能性を有する。小さいピクセルサイズは、より高い空間の解像度と直接相関する。さらに、マイクロプラズマ装置が、プラズマディスプレイパネルの従来のピクセル構造に利用できるものよりも高い能率で、電気エネルギーを可視光に転換することを、テストが示している。

マイクロプラズマ装置は、基体、および基体に支持されたポリマー層に画成されたマイクロチャンネルまたはマイクロキャビティの何れかまたはその両者を含む。ポリマー材料に関して配置された電極は、マイクロチャンネルまたはマイクロキャビティまたはその両者に含まれた放電媒体でプラズマを励起できる。マイクロプラズマ装置を形成する方法は、硬化可能なポリマー材料をマイクロキャビティおよび／またはマイクロチャンネルの陰形彫り込みを有する型と基体との間に置く。ポリマーは硬化され次に型は固体のポリマーから分離される。

本発明の異なる態様のマイクロキャビティプラズマ装置のアレイは、容易に大量生産され、透明でありそして剛いまたは可撓性であるポリマーマイクロキャビティを提供する。本発明の好ましい態様は、基体上に形成されたポリマーマイクロキャビティプラズマアレイである。好ましい態様では、ポリマーは、関心のある特別な範囲、例えば赤外（ＩＲ）域、可視域、紫外（ＵＶ）域またはＩＲ域、可視域およびＵＶ域の範囲の部分に延在している範囲で透明性を有する透明なポリマーである。好ましい態様では、透明なポリマーは、可視域の範囲の少なくとも一部で透明である。基体および電極は、また好ましい態様では、透明である。好ましい態様では、透明なポリマーのマイクロキャビティは、可撓性のポリマー材料に形成される。他の好ましい態様では、透明なポリマーのマイクロキャビティは、剛いポリマー材料で形成される。本発明のアレイは、マイクロキャビティの精密な複製を可能にする非常に正確な成形法により製造できるため、本発明のアレイは、非常に大きなフォーマットにできる。

さらに、本発明のアレイは、高いアスペクト比のマイクロキャビティおよびチャンネルを有することができる。本発明の態様のマイクロチャンネルは、マイクロキャビティを接続し、そして広範囲の形状例えば直線、ジグザグおよび他の形状を有するパターンに形成できる。高いアスペクト比の非常に長いチャンネル、例えば幅２０μｍの１ｍのチャンネルに形成できる。

本発明の他の態様は、高いアスペクト比の長い光学チャンネルを有するマイクロチャンネルプラズマ装置である。好ましい態様では、光学マイクロチャンネルプラズマ装置は、マイクロチャンネルを隔てる薄いポリマー壁を有する。好ましい態様では、ポリマー壁は透明である。サンプル例えばプラズマ反応器からの化学品がチャンネル内にある間、チャンネルはレーザービームにより探査できるため、装置は、例えばレーザー分光分析に応用できる。

本発明の好ましい製造方法は、ポリマー材料中にマイクロキャビティを成形する。好ましくは、ポリマー材料は透明である。型は、マイクロキャビティの形状の陰形の彫り込みであり、それは、例えば、断面が円筒状、ピラミッド状、先を切られた円錐状であるか、または型に形成されるその陰形の彫り込みを有する任意の他の形状である。可撓性の型は、好ましくは、剛い基体上に透明なポリマーマイクロキャビティを製造するのに使用される。剛い型は、好ましくは、可撓性の基体上に透明なポリマーのマイクロキャビティを製造するのに使用される。型および基体の１つを可撓性とし他を剛いものにすることは、硬化したポリマーから型を分離するのに助けになる。

例示の態様において、型は、ＵＶ光への露出により固体の状態に硬化できる液状のポリマー材料でマイクロキャビティを複製するのに使用される。マイクロキャビティ形成方法は、簡単で、早く、非常に正確である。さらに、ＵＶにより硬化可能なポリマー複製方法は、スタンピングアプローチで必要なもののような大きな力または高温度の使用なしに、深いキャビティを製造することができる。横方向の長さは短いがアスペクト比の大きなマイクロキャビティを製造することは、また簡単で安価である。

本発明の異なる態様のマイクロキャビティプラズマ装置アレイは、透明であり剛いかまたは可撓性であるポリマーマイクロキャビティを提供する。本発明の好ましい態様は、基体上に形成されたポリマーマイクロキャビティプラズマアレイである。特別に好ましい態様では、ポリマー材料は、可視域範囲およびＵＶ域範囲付近で透明である。基体および電極も好ましい態様では透明である。好ましい態様では、透明なポリマーマイクロキャビティは、可撓性のポリマー材料で形成される。他の好ましい態様では、透明なポリマーマイクロキャビティは、剛いポリマー材料で形成される。本発明のアレイは、マイクロキャビティの精密な複製を可能にする非常に正確な成形法により製造できるため、非常に大きなフォーマットにできる。

本発明のマイクロキャビティプラズマ装置および本発明のこれらの装置の製造方法は、剛いかまたは可撓性かの何れかの基体上に、大きな表面積（数十から数千平方センチまたはそれ以上）にわたってマイクロキャビティプラズマ装置の大きなアレイを低コストで製造することを可能にする。好ましい製造方法は、成形法の使用によって、マイクロキャビティの形状をポリマー材料例えば透明なポリマーに複製する。例示の態様では、型は、可撓性（剛い基体上のマイクロキャビティの成形のため）または剛い（可撓性の基体上のマイクロキャビティの成形のため）の何れかである所望のマイクロキャビティの形状の陰形の彫り込みである。好ましい態様では、型の形状は、ＵＶ光への暴露により固体に硬化できる液状のポリマー材料に複製される。好ましい方法により、キャビティ形成方法は、簡単、急速および非常に正確である。さらに、ＵＶにより硬化可能なポリマー複製方法は、大きな力または高温度（例えば、スタンピングアプローチにより必要なもの）の使用なしに、深いキャビティを製造できる。横方向の長さは短いがアスペクト比の大きなマイクロキャビティを製造することは、また簡単で安価である。さらに、大きなアスペクト比のマイクロチャンネルプラズマ装置が本発明の好ましい方法により製造できる。

好ましい態様は、図面に従って説明される。図面は、概略図を含み、それらは、付けられた説明を参照して当業者により十分に理解されるだろう。特徴は、説明の目的で強調される。好ましい態様から、技術者は、本発明のより広い側面を認識するだろう。

図１は、本発明の好ましい態様のポリマーマイクロキャビティプラズマ装置アレイの断面概略図である。基体１２は、ポリマー例えば可撓性のプラスチック材料例えばポリエステル（ＰＥＴ）である。他の剛いまたは可撓性のポリマー材料も使用できる。追加の例示の材料は、ポリカーボネートおよびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を含む。基体１２は、底部電極１４を有する。

底部電極１４は、例えば、好適な溶着技術により形成され、そしてアレイ１０内で個々のマイクロキャビティプラズマ装置の励起を可能にするようなやり方でパターン化できる。底部電極１４は、また、アレイ１０のマイクロキャビティプラズマ装置の１つ以上の群またはマイクロキャビティプラズマ装置のすべてに共通の電極をもたらす連続またはパターン化電導層である。

好ましい透明なポリマーマイクロキャビティプラズマ装置アレイでは、底部電極１４は、可視域範囲で透明である。例えば、基体１２は、透明な電導性材料例えばインジウム錫オキシド（ＩＴＯ）により被覆できる。このような透明な伝導性材料は、マイクロキャビティプラズマ装置アレイ１０の底部電極１４を形成できる。

複数のマイクロキャビティ１６は、ポリマー層１８に形成され、それは、エポキシ樹脂の熱硬化性がマイクロキャビティ１６およびマイクロキャビティアレイの形成の好ましい方法で有用であるので、好ましくは、エポキシ樹脂層である。絶縁コーティング２０が、好ましくは使用されて、マイクロキャビティ１６内で生成するプラズマからマイクロキャビティ１６の内表面を保護、絶縁する。さらに、絶縁コーティング２０は、ポリマー層１８からの脱ガスする蒸気のマイクロキャビティ１６への到達を遅くするかまたはブロックするバリヤーをもたらす。絶縁コーティング２０は、薄いフィルム、例えば二酸化チタンＴｉＯ_２の薄いフィルムである。他の好適な絶縁物は、例えば酸化珪素、酸化タンタル、酸化マグネシウムおよび窒化珪素を含む。

マイクロキャビティは、プラズマが励起される好適な放電ガスまたはガス混合物により加圧下他のポリマー基体２２によってシールされる。基体２２は、上方の電極２４を有し、薄い接着物２６例えばエポキシ樹脂の薄層を経てポリマー層１８に結合する。好ましい態様では、マイクロキャビティプラズマ装置アレイ１０における基体１２および２２および他の層の材料の性質および／または厚さは、アレイが透明かつ可撓性であるように選択される。

図２に示される好ましい製造方法では、マイクロキャビティ１６は、マイクロモールディング法により層１８に形成される。型が用意される（３０）。型は、例えば円筒状またはピラミッド状である所望のマイクロキャビティの形状の陰形の彫り込みを含む。型は、珪素のような基体上に従来のフォトリトグラフィーを行うことにより製造され、型の形状は、材料を取り除く方法、例えば湿式化学エッチング、反応性イオンエッチング、イオンミリングまたは伝導性カップリングプラズマエッチングにより、珪素中にエッチングできる。一般に、型は、任意の耐久性のある材料から製造でき、その追加の例は、ガラス、セラミックまたは金属を含む。

多数の型（娘とよばれる）は、製造のためのマスターを使用することにより製造でき、それは、型の反復する使用がテンプレートの摩耗を導くので、大きな大きさを製造するために同じ型を製造するのに有用である。娘の型を製造するのに使用されるマスターは、所望のマイクロキャビティプラズマ装置アレイの形状の凸形の大きさの像を有する。

基体例えば上述のポリマーが用意され（３２）、そして液状の硬化可能なポリマー材料の層は、基体と型テンプレートとの間に圧縮される（３４）。ポリマーは次に硬化される（３６）。硬化の方法は、もちろん、ポリマーのタイプに依存し、そして熱、時間または活性線照射、典型的な例ではＵＶ照射を含む。

ＵＶ透明マイクロキャビティプラズマ装置アレイの製造方法の好ましい態様では、ポリマーは、液状のＵＶにより硬化可能なポリマーであり、それは、基体と型テンプレートとの間に圧縮されるとき型中に流入され、そして次に高い強度のＵＶ照射に曝され、液状材料は固体に硬化される。液状のＵＶ硬化可能なポリマーの粘度は、型と基体との間に実質的な力をかけることなく、型の形状に急速に満たすことを可能にするように選ばれる。ＵＶ硬化方法は、室温で生じさせることができ、そしてポリマー材料、硬化開始化学剤および所望の程度の硬化に応じて１０−９０秒で完了できる。

工程（３２）で用意される基体は、図１のマイクロキャビティプラズマ装置アレイ１０の例示の態様に関して述べられたようなパターン化または非パターン化の電極を有することができる。次に、硬化の工程後、得られる結果は、マイクロキャビティ１６の底部と底部電極１４との間の層１８の部分が硬化したポリマーの薄いバリヤーであることである。電極１４とマイクロキャビティ１６との間のバリヤーである層１８の部分の厚さは、液状のポリマーの粘度により、複製方法の温度により、そして複製中の基体と型との間に適用される圧力により、正確にコントロールできる。層１８のバリヤー部分は、底部電極をプラズマへの暴露から絶縁し保護するのを助け、装置の静電容量に助けになる。

硬化後、型および基体を、硬化したポリマーが基体に周辺で接着するようなやり方で、分離する（３８）。型を抗接着コーティングにより予め処理すること（４０）は、分離の工程（３８）を助ける。例えば、抗接着単層コーティング例えばＲｅｐｅｌ Ｓｉｌａｎｅ（Ａｍｅｒｓｈａｍ Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅ）は、型テンプレート上に形成される。抗接着コーティングは、また、例えば型の表面上への金属の薄いフィルム（例えば金、銀またはニッケル）の蒸発により形成できる。型の分離は、また、もし型または基体の何れかが機械的に可撓性であるならば、助けになって、型および基体は互いに剥離される。

それゆえ、剛い基体例えばガラス上のポリマーマイクロキャビティの複製には、可撓性の型が、好ましくは使用される。可撓性の型は、例えば、可撓性の金属フォイル、可撓性のエラストマー（例えばＰＤＭ）または可撓性のプラスチックフィルムから製造できる。成型法は、数十ナノメートルから数百ミクロンの広範囲のサイズスケールにわたって形を正確に生成できる。可撓性の基体材料上への製造では、方法は、連続的なやり方で行われ、マイクロキャビティプラズマ装置アレイは、数フィート／分までの速度で、ロールからロールへの構成で基体フィルムの連続ロールから製造できる。

分離後、マイクロキャビティは、所望により、絶縁材料例えば二酸化チタン、酸化珪素、酸化タンタル、酸化マグネシウムまたは窒化珪素により被覆される（４２）。上述したように、絶縁材料は、プラズマ（エネルギー種例えば正または負のイオンへのポリマーの暴露によるマイクロ放電の性能の漸次の劣化を生じさせると思われる）への暴露からポリマーキャビティを保護するのに働く。絶縁材料は、シールされたキャビティ中への硬化したポリマー内の揮発性成分のガス放電速度を遅くするのに使用できる。絶縁物（特にＭｇＯ）の他の機能の可能性は、二次的放電によりプラズマへの補助的電子をもたらすことである。また、絶縁材料は、上部電極１４と底部電極２４との間に向けられ、そしてその厚さおよび比誘電率は、装置の全体の静電容量に助けになる。放電ガスまたは混合物は、マイクロキャビティ１６中に導入され（４４）、次に頂部の基体／電極が使用されてアレイ１０をシールする（４６）。

図３は、放電媒体（ガスまたはガス混合物）の流れをマイクロキャビティ１６の間に流れさせる他の態様を画いている。この場合、接着物２６は、層１８の周辺に適用され、マイクロキャビティの間の放電媒体の流れを可能にし、そして個々のキャビティはシールされない。追加の絶縁層２５は、プラズマから上方の電極２４を保護する。好ましいと述べられたように、態様は、可撓性および透明なアレイを含む。好ましい透明なポリマーの可撓性のアレイでは、上方の基体２２は、上方の電極２４のようにＩＴＯの薄いフィルムにより被覆されたプラスチック（ＰＥＴおよびポリカーボネートを含む）のシートである。

シールする工程（４６）は、電極２４を有する上方の基体２２がポリマーマイクロキャビティ層１８に付着するとき、達成できる。付着は、例えば、図３に画かれているように、いくらかの圧力の作用そして接着物の硬化によって、アレイ１０の周辺のエポキシ樹脂接着物の薄いフィルムにより達成される。別の付着方法は、レーザー溶接、超音波溶接または外部の力の適用によるクランピングを含む。

結合または他の付着は、マイクロキャビティ１６が図１のアレイ１０に画かれているように、互いに絶縁されるように達成され、その場合、接着物層２６は、アレイ１０の周辺に結合を形成し、そしてマイクロキャビティ１６間の領域をシールする。別の方法として、上方の電極２４を有する上方の基体２２は、ポリマーマイクロキャビティ層１８から短い距離で離され、それは、図３におけるように、マイクロキャビティ１６の間またはマイクロキャビティの群の間にガスを自由に流れさせる。このような配置は、また、放電媒体の体積を大きくする。これは、例えば、接着物のパターンにより達成される。例えば、接着物は、ポリマーマイクロキャビティ層１８の外部周辺の回りのみにパターン化されて、図３に画かれているように結合およびシールされたとき、分離の短い距離は、電極２４とポリマーマイクロキャビティ層１８との間に維持されそしてガス／ガス混合物は、すべてのマイクロキャビティの間を自由に流れることができる。他の例として、接着物のパターンは、ポリマーマイクロキャビティ層１８のマイクロキャビティの群の周辺およびそれらの間にパターン化されて、ガスの流れが、図４に画かれているように、マイクロキャビティの群内に可能である。他の場合では、基体１２と基体２２とを別々に支持して上方の電極２４およびポリマーマイクロキャビティ層１８の間の分離の短い距離を維持する追加の支持構造が使用できる。

図４では、電極１４、２４は、パターン化されアドレス可能であり、追加の層２７（例えば、ガラス、ポリマー、透明なセラミック材料）が使用されて、マイクロキャビティ１６の個々の１つまたは群の間の流れを可能にするか、または制限する。アドレス可能な電極１４、２４は、例えば、パターン化されて、同じまたは異なるガス種を含むマイクロキャビティの異なる１つ／群への異なる電圧の適用を可能にする。

図５に画かれているように、マイクロキャビティ１６の群の間へのガスの流れを可能にする他の方法は、マイクロチャンネル５０の使用によるものであり、それは、上述の同じ製造方法によりポリマー層１８中に成型できる。図５では、マイクロチャンネル５０のラインは、マイクロキャビティ１６の群と接続する。ガスの流れは、マイクロキャビティ１６の接続した群の間で可能である。また、マイクロチャンネル５０は、ガスまたはガス混合物が外部の源からポリマーマイクロキャビティプラズマ装置アレイ中に導入されるようにデザインされ、複数のチャンネルは、異なるガスまたはガス混合物がポリマーマイクロキャビティプラズマ装置アレイの異なる領域に別々に導入するように、さらに構成できる。

マイクロチャンネル５０の深さは、マイクロキャビティ１６それら自体の深さより深いか、より浅いかまたは同じかの何れかである。マイクロチャンネル５０それら自体は、マイクロプラズマチャンネルとして機能し、キャビティ間の領域に発光し、マイクロチャンネル５０のターンオン電圧は、マイクロキャビティ１６について必要なそれとは異なる電圧で生ずるようにデザインされ、マイクロチャンネルアレイの異なる領域は選択的に活性化できる。マイクロキャビティプラズマ装置アレイの複数の領域中への異なるガスの導入により、アレイのセクションは、異なる波長の光を発することができる。アレイの異なる領域から発した波長の混合により、広い色の範囲の可視域の発色（または所望ならば、紫外照射）が生じ、観察された色彩は、２つ以上のマイクロキャビティプラズマ装置からの輝度の調節によりコントロールできる。その上、１つ以上の蛍光体が、発光の種々の色彩を生ずるために、マイクロキャビティのすべてまたは選択された１つ／群内に被覆される。

発光スペクトルが、プラズマ内の原子（または分子）の電子励起に依存するため、そして原子および分子は、それぞれ、存在する原子および／または分子の成分に独特である特徴的な発光スペクトルを有するために、外部のガス源に接続するチャンネルを経てマイクロキャビティプラズマ装置に導入されるガスサンプルは、発光スペクトルの測定により分析できる。さらに、マイクロキャビティプラズマ装置で発生するプラズマは、次にマイクロチャンネル５０により、分子のフラグメントの検出および元素分析のための質量分析計（ＭＳ）の入口に導かれる。

この分光測定法は、他の技術により生じたプラズマによって従来使用されているが、本発明の装置は、大気圧で操作できしかも多くの個々のガス流から複数のプラズマを同時に発生できるコンパクトで安価な使い捨てが可能な装置によりプラズマ発生を可能にする。特徴の前者である大気圧下の操作性は、高価かつ大きな真空システムが不必要であることから、有利である。

実験装置が形成された。マイクロキャビティのキャビティの深さは７６μｍであった。キャビティの列は、図５に示されるパターンの幅２０μｍのマイクロチャンネルと接続した。マイクロチャンネルおよびマイクロキャビティは、６００−７００トルの圧力でＮｅガスで満たされた。９００_ｐ−ｐ（３１８Ｖ ＲＭＳ）のプラズマターンオン電圧が測定され、操作電圧は５６０Ｖであった。ガスチャンネル内のプラズマは、マイクロキャビティそれら自体のプラズマよりも高い電圧で開始される。断面９０×１１０μｍ^２のマイクロキャビティプラズマ装置の２０×２０ｃｍ^２アレイに関するＩ−Ｖ特性は、４００−７００トルのＮｅ圧について図６に示される。図６のデータは、２０ｋＨｚの周波数での正弦波電圧でアレイを除することにより得られた。「ターンオン」または点火電圧は、６８０Ｖ_ｐ−ｐ（２４０Ｖ ＲＭＳ）から８００Ｖ_ｐ−ｐ（２８３Ｖ ＲＭＳ）に及ぶ。圧力とは関係なく、特性のスロープは正である。これは、商業的な応用に実質的に有利なバラストを必要とすることなく、アレイが操作できることを意味する。

他の好ましい態様のマイクロチャンネルプラズマ装置が図７に画かれる。装置は、図１，３および４の電極および基体の配置を有することができるが、プラズマは、正方形のらせんの形状を有するマイクロチャンネル５０で励起される。正方形のらせん状のマイクロキャビティおよび他のパターンは、図２の好ましい製造方法に関して述べられたのと同じ方法でポリマー層１８に成形できる。図７の正方形のらせん状の形状のマイクロチャンネルを有する実験的な装置が形成された。マイクロチャンネルの幅は２００μｍであり、５００トルでＮｅで操作された。正方形のらせん全体はディスプレイを生成した。正方形のらせんに加えて、丸いらせんも製造されている。一般に、ポリマーのマイクロキャビティおよびマイクロチャンネルの成形は、小さい形状のサイズおよび形状の精密な相対的な位置付けを可能にする。

本発明の好ましい製造方法は、また、大きな体積のものの生産を可能にする。例えば、マイクロキャビティおよび接続するマイクロチャンネルは、型複製法により形成でき、それは、大きなアレイを例えばロールからロールへの方法によって製造することを可能にする。その結果、大きなアレイが、安価に製造できる。

本発明の透明なマイクロキャビティプラズマ装置アレイおよびマイクロチャンネルプラズマ装置に多くの応用が存在する。プラズマディスプレイパネルおよび他のディスプレイ技術全般を改善すること、そして背景で述べられた応用について提供することに加えて、本発明の完全に透明な装置は、広い応用性を有する。例えば、可撓性の透明なディスプレイは、自動車および小売り店への応用でヘッドアップディスプレイに価値がある。軽量のビデオディスプレイは、好ましい成型法が上記の例示の原型で報告されているものよりも遙かに小さいサイズのピクセルを製造させることを可能にするために、応用の一つである。

応用の他の例は、化学マイクロ反応器および光学診断装置である。図８は、１つ以上のガス（または蒸気）が、反応器Ａとされる本発明のマイクロプラズマ装置アレイ１０に導入される簡単なマイクロ反応器システムの概略ダイアグラムである。反応器Ａ内のマイクロプラズマの開始は、所望の化学反応に影響し、１つ以上の化学品は、さらなる処理のために第二のマイクロプラズマ装置アレイ１０（反応器Ｂ）に送られ、追加のガス（ＧＡＳ Ｄ）は、反応器Ａの生成物と相互作用する。この方法が、所望に応じて続けられそして所望の多く（または少ない）ガスが各反応器に導入されることは、明らかである。その上、容易に製造される接続チャンネルの小さいサイズが、これらの構造を化学品の光学的診断を理想的なものにする。例えば、図５の装置アレイは、２０μｍの断面を有する接続チャンネルを有し、それは肉眼で見えるシングルモードの導波管の直径に近い。さらに、例えば、図８の反応器Ａから現れる生成物の流れは、示されるようにチャンネルのレーザー分光分析により検査できる。レーザービームは、左側から導入されそして生成物の流れと相互作用する。光学チャンネルにプラズマ（反応器Ａのそれに加えて）を生成するか否かの選択がある。生成物の流れとのレーザー照射（１つより多い入射波長も使用できる）の相互作用は、ラマン散乱により発生するもののような光学シグナルを生成し、それから、反応器Ａからの生成物および化学反応の能率を測定できる。光学的チャンネルが製造されて、薄いポリマー壁が、それからレーザー検査ビームがマイクロプラズマアレイを通って伝播するチャンネルから、光学的チャンネル（反応器Ａの生成物を接続する）を分離する。

図９は、他の態様によるマイクロチャンネル５０の断面を画いている。図９の断面は、安定な光学導波管に使用できる。方形の断面は、放電媒体（ガスまたはガス混合物）で満たされたとき、安定な光学導波管であると厳密に考えられない。それは、放電媒体の屈折率が、マイクロチャンネル５０の壁を構成しているプラズマのそれよりも小さいからである。方形または円状の断面のチャンネルが、分光分析システムの応用を含む多くの応用に好適であるが、図９のチャンネル５０のポリマーリブ５１は、安定な光学導波管をもたらす。

応用の他の例は、図１０に示される細胞分類または流れている血球の計算である。例えば図５に示されているように上述された方法により製造された平行なチャンネル（マイクロキャビティを有するかまたは有しない）は、操作するとき、互い違いのマイクロチャンネルの列が所望の波長の光を生成するプラズマを含むように形成される。基体は、プラズママイクロチャンネル５０で生成される光が基体材料の薄い領域を経て移動しそしてプラズマチャンネル５０ｂの間またはそれらに極めて近く配置された流れチャンネル５０ａに入る。この流れチャンネル５０ａを経て、細胞は液状の流れで流れる。細胞は、発色団により「タグを付けられて」、プラズマチャンネルからの光が細胞から蛍光の放出をもたらす。発された波長または波長の範囲は、細胞の性質について情報をもたらす。

本発明の種々の態様が示され記述されたが、他の改変、置換および交換が当業者に明らかであることを理解すべきである。請求の範囲から決定されるこのような改変、置換および交換は、本発明の趣旨および範囲から離れることなく行うことができる。
本発明の種々の特徴は、請求の範囲に述べられている。

好ましい態様のポリマーマイクロキャビティプラズマ装置アレイの断面概略図である。 図１のポリマーマイクロキャビティプラズマ装置アレイのようなポリマーマイクロキャビティプラズマ装置アレイを形成する好ましい態様の方法を示すブロックダイアグラムである。 他の好ましい態様のポリマーマイクロキャビティプラズマ装置アレイの断面概略図である。 他の好ましい態様のポリマーマイクロキャビティプラズマ装置アレイの断面概略図である。 好ましい態様のポリマーマイクロキャビティプラズマ装置アレイに関するマイクロチャンネルおよびマイクロキャビティのパターンの概略図である。 ４００−７００トルのＮｅ圧に関する断面９０×１１０ｃｍ^２のマイクロキャビティプラズマ装置の実験的な２０×２０ｃｍ^２のアレイのＩ−Ｖ特性を示す。 本発明の正方形のらせんのマイクロチャンネルプラズマ装置を示す。 分光測定システムに使用される本発明のマイクロキャビティプラズマ装置アレイ反応器およびマイクロチャンネル流れ検査チャンネルの概略ダイアグラムである。 本発明のプラズマ装置に関する例示の態様のマイクロチャンネルの断面を示す概略ダイアグラムである。 流れる血球の計算のためのマイクロチャンネルプラズマ装置の概略ダイアグラムである。

符号の説明

１０ ポリマーマイクロキャビティプラズマ装置
１２ 基体
１４ 底部電極
１６ マイクロキャビティ
１８ ポリマー層
２０ 絶縁コーティング
２２ ポリマー基体
２４ 上方の電極
２５ 絶縁層
２６ 接着物
２７ 追加の層
３０ 型の用意
３２ 基体の用意
３４ 圧縮
３６ 硬化
３８ 分離
４０ 予備処理
４２ 被覆
４４ 導入
４６ シール
５０ マイクロチャンネル
５０ａ 流れのチャンネル
５０ｂ プラズマチャンネル
５１ プラズマリブ

Claims (8)

1. 可撓性材料からなる可撓性の底部基体；
   該底部基体により支持された連続的な可撓性のポリマー材料層であって、該ポリマー材料層の体積内に画成されており該ポリマー材料層の一の表面にて開口する溝または空隙からなる複数のマイクロチャンネルまたは複数のマイクロキャビティを有するポリマー材料層；
   該ポリマー材料層の体積内に画成された該複数のマイクロチャンネルまたは複数のマイクロキャビティに閉じ込められたプラズマ媒体；
   該可撓性のポリマー材料層と該可撓性の底部基体との間に配置され、該複数のマイクロチャンネルまたは複数のマイクロキャビティの閉止された底端部を画成する該ポリマー材料層の薄い部分によって該複数のマイクロチャンネルまたは複数のマイクロキャビティから絶縁された、薄いフィルム状の底部電極；
   該複数のマイクロチャンネルまたは複数のマイクロキャビティ内でプラズマを含むために該ポリマー材料層と結合する、可撓性材料からなる可撓性の上部基体；
   該上部基体に担持され、該底部電極と協働して該プラズマ媒体内でプラズマを励起する、薄いフィルム状で透明な上部電極；
   プラズマから該上部電極を保護する、薄い可撓性の絶縁層
   からなることを特徴とするマイクロプラズマ装置。
2. 該ポリマー材料層が可視域およびＵＶ付近で透明なポリマー材料を備える請求項１の装置。
3. 該上部基体が透明である請求項１の装置。
4. 該ポリマー材料層がエポキシ樹脂を備える請求項１の装置。
5. 該ポリマー材料層がＵＶにより硬化可能なポリマー材料を備える請求項１の装置。
6. 該複数のマイクロチャンネルまたは複数のマイクロキャビティが、複数のマイクロキャビティと接続する少なくとも１つのマイクロチャンネルを含む請求項１の装置。
7. 該ポリマー材料層の薄い部分が、該底部電極から、該複数のマイクロチャンネルまたは複数のマイクロキャビティを分けており、
   該複数のマイクロチャンネルまたは複数のマイクロキャビティの表面上に付された絶縁コーティングが該プラズマから該ポリマー材料層を保護し、
   該上部電極および該上部基体が、該ポリマー材料層に最も近い接着物により保持される請求項１の装置。
8. 該接着物が、該複数のマイクロチャンネルまたは複数のマイクロキャビティの間に該プラズマ媒体が流れるような接着物のパターン化層からなる請求項７の装置。