JP5654238B2 - 表面誘電体バリア放電プラズマユニット、および表面プラズマを発生させる方法 - Google Patents

表面誘電体バリア放電プラズマユニット、および表面プラズマを発生させる方法 Download PDF

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Description

本発明は、内部電極が配置される内部空間が設けられた固体誘電体構造を備え、さらに、内部電極と協働して表面誘電体バリア放電プラズマを発生させるための別の電極を備える表面誘電体バリア放電プラズマユニットであって、プラズマユニットには、構造の表面に沿ったガス流路がさらに設けられる表面誘電体バリア放電プラズマユニットに関する。
プラズマプロセスを行うために、誘電体構造に配置されるかまたは埋め込まれた電極構造を有する固体誘電体構造が知られている。第１の電極は構造の処理表面に配置され、一方、第２の電極は誘電体構造の反対面に配置される。上記プロセスにおいて、構造の処理表面に沿って、プラズマプロセスに必要なガス流を誘導することができる。
内部電極を有する専用のプラズマユニットも知られている。内部電極は、誘電体構造の表面に溝を形成するために誘電体材料が部分的に除去される工程と、電極堆積工程と、平坦な誘電体表面を得るように内部電極が誘電体材料で覆われる工程とによって得られる。さらに、第２の電極は誘電体構造の反対面に配置される。内部電極のみを有する専用のプラズマユニットも知られている。対の内部電極の間に電界を形成することにより、構造の処理表面に沿ってプラズマプロセスを行うことができる。
しかし、特に、低ガス透過性または非ガス透過性の材料を有する構造を処理する場合に、プラズマ処理が不均一になる。ガス流は、処理すべき構造と固体誘電体構造の処理表面との間のプラズマ領域に飛散し、処理すべき構造と化学的および／または物理的に反応する。その結果、ガスがプラズマ領域に入る領域から離れたおよびそこの下流側の所望の領域では、より少量の反応ガス粒子しか利用可能でなく、このようにして、不均一なプラズマ処理が生じる。プラズマ活性化ガスが処理構造に沿って通路する間に、プラズマ活性化ガスの組成が変化される。その結果、プラズマキャリアガスに添加される気体状の前駆体ガスまたは前駆体粒子の濃度は、ガスがプラズマ領域に入る領域で高すぎる可能性があり、ガスがプラズマ領域から離れる領域で低すぎる可能性がある。高度すぎる前駆体分解により、望ましくない前駆体フラグメントが生じる可能性があり、これにより、最終的には、気相重合による層品質の低下または望ましくないダストが生じる。一般に、プラズマ領域の流路に沿った前駆体ガス組成の変化の部分補償として、高いガス流量が適用されており、プラズマ領域から離れる未反応の前駆体ガスの大きな損失が生じる。
本発明の目的は、上記欠点が低減される上位概念による表面誘電体バリア放電プラズマユニットを提供することである。特に、本発明は、より均一かつより効率的なプラズマ処理を可能にする上位概念による表面誘電体バリア放電プラズマユニットを得ることを目的とする。さらに、本発明によれば、ガス流路は固体誘電体構造の処理表面に対してほぼ横方向に配向される。
ガス流路を構造の処理表面に対してほぼ横方向に、例えば、固体誘電体構造の側面を介してまたはそれに沿って配向することにより、構造の処理表面の近傍の所望のプラズマ処理領域がガス流によって直接延びることができる。したがって、所望の領域の上流側にあるが、プラズマ領域に配置されたガス流路断面が低減され、ガスをプラズマ領域全体により均一に供給することができ、その結果、より均一なプラズマプロセスが可能になる。さらに、ガス粒子がより効率的に処理される。
本発明は、部分的には、内部電極と別の電極との組み合わせを用いて、固体誘電体表面の処理表面に対してほぼ横方向のガス流路断面に沿った表面プラズマを軽減することができ、これにより、ガス粒子が、処理すべき構造に達する前に、ガス粒子によるプラズマプロセスを軽減する構造の処理表面の近傍における効率的なプラズマプロセスが可能になるという洞察に基づいていることに留意されたい。
さらに、本発明による装置によれば、装置を拡大してプラズマ領域を大きくすることができ、これによって、製造容量が向上する。
その上、ガス流路を構造の処理表面に対してほぼ横方向に配向することによって、固体誘電体構造は、ガス流で、例えば、ガスがプラズマ領域に向かって流れることができる開口部を規定する構造の側面または構造の壁に沿ってガスを流すことで、効率的に冷却されることができる。
好ましくは、内部電極は電解質として付与され、その電解質は、例えば、固体誘電体構造を効率的に冷却または加熱するための温度調節流体としてさらに機能する。このようにして、固体誘電体構造の電気絶縁および加熱ガイド特性に対する矛盾する要求が巧みに回避される。また、例えば、固体誘電体構造の温度が他の方法で調節される場合、電解質は単に内部電極として機能することもできる。
本発明による有利な実施形態では、固体誘電体構造の内部空間は押出成形法によって形成されており、これにより、標準的な押出成形法を用いて比較的容易に拡大することができるプラズマユニットの効率的な製造方法が可能になる。
さらに、本発明は、表面誘電体バリア放電プラズマを発生させる方法に関する。
本発明による他の有利な実施形態は以下の特許請求の範囲に記載されている。
次に、添付図を参照して、実施例のみによって、本発明の実施形態を説明する。
本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第１の実施形態の概略断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第２の実施形態の概略断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第３の実施形態の概略断面図である。 第１の固体誘電体構造の概略断面図である。 第２の固体誘電体構造の概略断面図である。 第３の固体誘電体構造の概略断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第４の実施形態の概略側断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第５の実施形態の概略断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第６の実施形態の概略断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第７の実施形態の概略断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第８の実施形態の概略断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第９の実施形態の概略断面図である。 図１の表面誘電体バリア放電プラズマユニットの概略部分分解斜視図である。 図１の表面誘電体バリア放電プラズマユニットの概略平面図である。 図８ａの表面誘電体バリア放電プラズマユニットの概略側断面図である。 図８ｂの表面誘電体バリア放電プラズマユニットの別の概略側断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第１０の実施形態の概略断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第１１の実施形態の概略断面図である。 図１０ａの表面誘電体バリア放電プラズマユニットの概略平面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第１２の実施形態の概略断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第１３の実施形態の概略断面図である。 第１のプラズマ装置の概略断面図である。 図１１のプラズマ装置の追加の概略断面図である。 第２のプラズマ装置の概略断面図である。 本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニットの第１４の実施形態の概略断面図である。 固体誘電体構造の実施形態の概略側断面図である。 図１５の固体誘電体構造の概略平断面図である。 別の固体誘電体構造の概略平断面図である。 プラズマ装置の概略断面図である。 プラズマ発生装置の概略断面図である。
図は、本発明による好ましい実施形態を示しているにすぎないことに留意されたい。図において、同じ参照番号は、同様のまたは対応する部分を指す。
図１は、本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニット１の第１の実施形態の概略断面図を示している。ユニット１は、細長形状の複数の固体誘電体構造素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのアセンブリを備える。各固体誘電体構造素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの処理外面３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが共通の処理面Ｔに実質的に延びるように、固体誘電体構造を形成すべく、素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄをほぼ平行に配置することが可能である。代わりに、素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのそれぞれの外側面が互いに正確に平行でないように、前記素子を配置してもよい。この実施形態については、図１１を参照してより詳細に説明する。さらに、隣接する固体誘電体構造素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの間の空間４ａ、４ｂ、４ｃは、固体誘電体構造素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの表面に沿って延びるガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の少なくとも一部を規定する。以下に説明するように、ガス流路は別の断面を有することができる。
各固体誘電体構造素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄには、内部電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが配置される上側内部空間５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが設けられる。さらに、各固体誘電体構造素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、固体誘電体構造の外面に隣接して配置された別の外部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈを備える。表面誘電体バリア放電プラズマユニット１の作動中、表面誘電体バリア放電プラズマ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを発生させるために、外部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈと内部電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとの間には、電圧差が印加される。このようにして、固体誘電体構造素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの外面において、外部電極は内部電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと協働してプラズマ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを発生させる。
本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニット１は、高いガス圧で、例えば、０．１〜１バールの、または気圧よりもかなり高いガス圧で作動するように配置され、これによって、大きなガス体積および／または大きな表面積の処理が可能になる。
ユニット１の作動中、処理すべき構造は実質的に処理面Ｔに存在する。例えば、表面の活性化、接着性、着色性および印刷性の向上、プラズマグラフトによる堆積、プラズマ重合による堆積、処理すべき構造への粒子の化学結合のために、プラズマを発生させることにより、およびガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を介して処理面Ｔにガスを流すことにより、処理すべき構造には特定のプラズマプロセスが施される。このようにして、構造の物理的特性および／または化学的特性を変化させることができる。バッチプロセスを行うために、処理すべき構造を処理面Ｔに配置することができることに留意されたい。さもなければ、処理面Ｔに沿って、処理すべき構造をほぼ連続的に、または断続的に移動させることができる。複数のガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を設けることによって、ガス粒子が空間４を通って、異なる位置の処理表面３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに流れることができ、これにより、プラズマプロセスがより均一かつ効率的になる。各固体誘電体構造の処理外面３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが共通の処理面Ｔに実質的に延びるように、固体誘電体構造を形成すべくほぼ平行に配置された細長形状の複数の固体誘電体構造素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのアセンブリを設けることによって、および隣接する固体誘電体構造の間に空間４ａ、４ｂ、４ｃを設けることによって、このように規定されたガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が複数の位置の処理面Ｔに達し、その結果、プラズマプロセスがより一層均一に行われる。結果として、有利にはプラズマ処理プロセスもより均一に行われ、これにより、処理結果が改良され、選択的に、プラズマ処理を行うために必要なエネルギーおよび化学的前駆体ガスが低減される。
細長形状の固体誘電体構造素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを設けることによって、比較的大きな処理表面３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが得られる。誘電体構造素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、図１の断面に対してほぼ横方向の細長い形状を有する。ガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の少なくとも一部は固体誘電体構造素子２の外側面１２に沿って延び、側面１２は処理外面３から延びる。
代わりに、細長くない他の形状、例えば、略立方形状の誘電体構造を適用してもよい。
外側面１２に沿って延びるガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は処理面Ｔに対してほぼ横方向に配向され、この場合、ユニット１の作動中に、それによって処理すべき構造が延びる。同様に、ガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を処理面Ｔに対してほぼ横方向に配向させることができ、この場合、ユニット１の作動中に、それによって処理すべき構造が処理方向に沿って移動される。
選択的に、空間４ａ、４ｂ、４ｃの一部を用いて、処理されたガスを処理表面から搬送することができ、これにより、プラズマ処理の均一性および効率がさらに向上する。この場合、ガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の一部の流れ方向は反対方向にある。この選択は、非ガス透過性または低ガス透過性の表面を処理する場合に特に重要である。選択的に、濾過および／または冷却後にガスを再循環させることができる。
互いに隣接する外部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈの間の距離を規定することによって、空間４ａ、４ｂ、４ｃが設けられる。例えば、別個の中間部を設けることによって、あるいは外部電極の外側に配向された非平坦面を、例えばガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に沿った方向に、および／または断面に対してほぼ横方向に設けることによって、上記距離を規定することができる。
内部電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは電解質によって形成され、このようにして、電気的機能に加えて、温度調節手段が容易になる。したがって、固体誘電体構造素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを冷却および／または加熱することができる。液体および／またはガスによって、電解質を形成することができる。特定の温度範囲のプラズマ活性化された反応ガスの調節は、最適な反応速度の堆積等の処理に非常に有利であり得る。
処理面Ｔの反対側において、アセンブリは、最も離れた２つの外部電極に接続された金属キャップ等の金属導電構造９によって囲まれる。したがって、外部電極７のエッジの近傍で飛散ガスの望ましくないプラズマ形成をもたらす可能性がある外部電極７のエッジの近傍の高い電界値が軽減される。
選択的に、固体誘電体構造２は複数の別個の内部空間を有し、押出成形法による構造の製造が容易になる。上記複数の別個の内部空間の少なくとも１つは温度調節流体チャネルとして機能し得る。図１に示したように、固体誘電体構造２は上側内部空間５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと下側内部空間５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈとを有することが可能である。このようにして、下側内部空間は追加の温度調節チャネルとして機能することができる。一般に、固体誘電体構造の内部空間は電極および／または温度調節流体チャネルとして機能することができる。しかし、この場合、電極として、選択的に温度調節流体チャネルとして機能する単一の内部空間を構造２に設けることもできることに留意されたい。
固体誘電体構造の断面が略正方形でない場合、２つ以上の内部空間を構造に設けることが有利であり、これにより、構造の内力がバランスされるので、押出成形による製造が容易になる。材料の製造中またはプラズマ処理の適用中に材料に生じる可能性がある、温度に依存し得る許容できない大きな応力が緩和される。追加の内部空間には、ガス、変圧器油等の電気絶縁体、またはエポキシ等の固体誘電体を充填することができる。さもなければ、追加の内部空間は電極として機能することができる。追加の内部空間の電極の電圧を操作することによって、例えば、外部電極の電圧と同様の電圧を印加することによって、表面プラズマの位置を有利に制御することができる。
一方の固体誘電体構造の外面と構造の内部空間の縁との間の最小距離は、構造材料のブレークスルー特性によって、および最小の静電容量で内部電極と外部（導電性）表面誘電体バリアプラズマとを電磁結合しようとすることによって決定される。この静電容量は、プラズマ［ワット／ｍ２］の電力面密度に影響を与える決定要因である。実際には、上記最小距離は、一例として、約０．５ｍｍ〜約１ｍｍの間で選択することができる。しかし、他の距離、例えば２ｍｍ以上の、または０．３ｍｍ以下の距離を適用することもできる。
図１に示した実施形態では、コロナ電極または鋭い電極とも呼ばれる外部電極７と処理表面３とが互いに接する位置において、外部電極７は固体誘電体構造２の側面全体１２をほぼ覆い、外部電極７は鋭い端部を備え、これにより、固体誘電体構造２と、外部電極と、ガス流路を介して誘導されたガスとの間には、明確な三重点が提供される。外部電極は処理面Ｔの外側に配置されるので、外部電極の厚さは、外部電極が固体誘電体構造２の処理表面３に配置される状態と比較して比較的大きく選択することができる。さらに、例えば、処理すべき構造の材料によって加えられる摩擦力による電極の摩耗は、外部電極７を側面に配置することによって回避される。その上、比較的厚い金属ストリップを使用することによっておよび有効な温度制御によって、外部電極７の腐食または侵食を抑制することができる。外部電極７の寿命も延びる。外部電極７が少なくとも部分的に固体誘電体構造２の外面を覆うように外部電極７を配置することにより、構造２の冷却は、外部電極７で、例えば、外部電極７を冷却フィンまたはヒートシンクに接続することで行うことができることに留意されたい。さらに、冷却チャネルを外部電極７の内部に配置することができる。
固体誘電体構造２は、セラミック等の適切な誘電体材料、例えば、特定の種類のアルミナ材料、ガラス材料またはガラスセラミック材料から製造されている。例えばエポキシ樹脂を使用して電極を接着することによって、例えば誘電体材料と外部電極との接着を実現することができる。接着材料は、その電気破壊を回避するために、高い誘電強度を有するかまたは高い導電性を有することが好ましい。外部電極構造は、固体誘電体構造が挿入されるＵ字形状を有し得る。外部電極は、ステンレス鋼、高炭素鋼、白金またはタングステン等の金属、コーティングあるいは合金から製造することができる。
好ましくは、固体誘電体構造２の内部空間５は、比較的大きな処理表面３を設けることができるように実質的に細長い。ここで、内部空間５はチャネルを形成する。
有利には、固体誘電体構造２の内部空間５は押出成形法によって形成されており、これにより、本発明によるプラズマユニット１の比較的簡単で、堅牢かつ安価な製造方法が提供される。さらに有利には、比較的長い細長い内部空間を固体誘電体構造で、特に、単一の細長い内部空間を有する構造で実現することができる。このようにして、例えば数メートルの長さを有する比較的長い素子への拡大が可能である。押出成形法を適用することによって、一体の固体誘電体構造２を得ることができる。代わりに、細長くない固体誘電体構造が必要とされる場合、他の方法、例えばミリングによって、内部空間を形成してもよい。
外部電極７は固体誘電体構造２に直接接触するので、電界は、外部電極の鋭さに依存するだけでなく、ガスと固体誘電体構造２との誘電率の差によってもさらに強化される。
表面誘電体バリアプラズマ処理用の電極を拡大することにより、比較的高い静電容量負荷を生じさせ得る。有利には、各固体誘電体バリア構造に供給された電力は、個々の電源ユニットによりその内部電極６および外部電極７を介して供給される。細長い誘電体バリア構造の特定の長さ（典型的に１〜４ｍ）の上方において、それらの構造の各々のために別個の電源を使用することがプロセス制御には有利である。代わりに、プラズマ処理ユニットの部分である全数の外部電極７から電極群を別個の電源に接続してもよい。第２の代替形態として、単一の誘電体構造の外部電極７は、各部分が別個の電源から電力を受け取る部分に分割することが可能である。高周波数においておよび／または急激に増加する繰り返しパルスによって、電極の間に交流電圧電位を印加する場合、電源毎の静電容量の低減を用いて、表面バリア放電を生じさせ得る。このようなパルスの印加により、処理表面に沿った表面バリア放電フィラメントのより均一な分布を得ることが可能である。さらに、より安価な構成要素を使用することによって、モジュール電源システムのコストを低減することができる。
図２は、本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニット１の第２の実施形態の概略断面図を示している。外部電極７は固体誘電体構造２の外側面１２を部分的に覆い、これにより、外側面の上部が露出されたままになる。その結果、表面プラズマが誘導される領域は、処理外面３から外側面１２の露出された上部に延びる。図２に示した実施形態は、プラズマ活性化ガスによる表面の処理を可能にし、すなわち、ユニット１の処理面Ｔに沿って供給されるおそらく他のガスと組み合わせた、外部電極７の間のガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を介したガスの流れを可能にする。この種のいわゆるプラズマジェットは、高いガス速度の場合に有効であるが、この理由は、プラズマの反応性粒子を製造する間の時間が短く、構造の表面への反応性粒子の搬送距離が短いからである。特定の用途では、堆積前の前駆体ガスの部分分解（シザリング）が望ましいかもしれない。特定の用途では、サブミクロンサイズの粒子が構造の表面に堆積する前に、前駆体ガスの重合、これによるサブミクロンサイズの粒子の形成が実現される。特定の用途では、例えば、表面活性化、層または粒子の堆積、およびこのポリマー層の硬化またはさらなる架橋のために、ガス流路Ｐ１、Ｐ２およびＰ３に沿って、異なるガスを使用することが好ましいかもしれない。
図３は、本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニット１の第３の実施形態の概略断面図を示している。ユニット１は、少なくとも部分的に固体誘電体構造２の処理外面３に沿って延びる接地および穿孔された導電板１０を備える。穿孔された板１０を設けることによって、プラズマ活性化ガスの分布がさらに改善される。この場合、下流側で処理すべき構造に達する前の、反応ガス粒子の間の、およびガス粒子と穿孔された板との間の衝突によって、プラズマ反応性の損失を制限するために、高いガス速度を適用することが好ましい。さらに、板１０は接地されるので、より安全な状態が得られる。この選択は、例えば、床、家具、器具または人体の皮膚等の殺菌または消毒目的のために、プラズマユニットを使用する人にアクセス可能である空間で、物体が処理される場合に有利である。
図４ａは、上側内部空間５ａと下側内部空間５ｅとを有する第１の固体誘電体構造２の概略断面図を示している。上側内部空間５ａは、例えば、導電コーティング、導電箔または導電管として付与された壁１１を備える。固体誘電体構造２の温度を調節するために、壁１１の内部空間には、流体、すなわち液体またはガス６が充填される。このようにして、導電壁１１を設けることにより、導電体によって囲まれた温度調節流体が、電磁界から遮蔽され、これにより、長時間にわたって任意の材料組成物がより安定する。ガス流路Ｐ１、Ｐ２は側壁１２に沿って延び、その壁１２は処理表面３から延びる。
図４ｂは、上側内部空間５ａが、好ましくはその中心にセンタリングされた固体電極６を備える第２の固体誘電体構造２の概略断面図を示している。銅であり得る電極６は、硫酸銅の水溶液であり得る導電温度調節流体１３によって囲まれる。
さらに、図４ｃは、上側内部空間５ａに導電温度調節流体６が充填される第３の固体誘電体構造２の概略断面図を示している。望ましくないプラズマ形成を回避するために、内部空間に導電温度調節流体を充填することによって、内部電極と固体誘電体構造との間のガスなしの接触の要求が満たされている。さらに、電解液電極を使用することにより、金属およびセラミックの異なる温度依存膨張係数に関する問題が解決されている。その上、熱的／化学的劣化による薄い金属コーティングの寿命の短縮の問題も解決されている。さらに、図４ｂと図４ｃの実施形態は、局部的なプラズマを発生させて、熱的損傷を生じさせる不可避の空気介在物によって、およびセラミックの小さな欠けおよび／または突出が存在することによって、押出成形されたセラミックチャネルへの固体金属ロッドまたは固体金属管の挿入が困難であり得るような図４ａに示した実施形態よりも優れている。
図１に示したアセンブリを形成するために、図４ａ〜図４ｃに示したような固体誘電体構造２を使用することができることに留意されたい。しかし、このような固体誘電体構造２を別個に使用することもできる。一例として、細長い物体を加工するために、例えば、繊維、繊維束または糸束のプラズマ処理のために、図４ａ〜図４ｃに示したような単一の細長い固体誘電体構造２を使用することができる。ガス流路Ｐ１、Ｐ２は固体誘電体構造２の側面１２によって規定される。単一の固体誘電体構造２の場合、固体誘電体構造２に隣接して配置された別の非導電構造によって、ガス流路Ｐ１、Ｐ２をさらに規定することが可能である。
好ましくは、外部電極が地面に接続され、これにより、危険な状態が回避される。非ゼロ電圧を内部電極に印加することによって、内部電極と外部電極との電圧差が表面誘電体バリア放電プラズマを発生させる。所望の場合、他の方法で、例えば、内部電極を接地することによっておよび非ゼロ電圧を外部電極に印加することによって、電圧を印加することもできる。
図５は、本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニット１の第４の実施形態の概略側断面図を示している。この場合、固体誘電体構造２の処理外面３は多孔質の電気絶縁層１４によって覆われる。さらに、個々の固体誘電体構造２は３つの内部空間５ａ、５ｅ、５ｉを有する。多孔質の電気絶縁層１４を適用することによって、ガスの処理に適切なプラズマユニット１が得られる。いくつかの例は、例えば、大きな建物、病院、軍事基地等のための燃焼ガス、燃料変換システム（例えば燃料またはバイオマスから水素への）、空調用途、空気供給システムにおいて、工業用溶剤、炭化水素、ＣＯ、ＮＯｘ、ＳＯ２、Ｈ２Ｓ、すす、ダストおよび微生物等の揮発性有機化合物を除去することである。多孔層１４は、プラズマ補助化学変換用のガス汚染物質および触媒材料、例えば、ＭｎＯｘ、Ａｕ／ＴｉＯ２を吸着するためのガス吸着材料、例えば多孔質アルミナ、ゼオライトを含むことが好ましい。チャネルを冷却することによって、ガス汚染物質を多孔層１４に吸収することができる。ユニット１の作動中、表面プラズマ８を周期的にオンおよびオフにすることができる。プラズマの活性化時間において、多孔層１４のプラズマで生成された化学種、主に、Ｏ、Ｏ３、ＨＯ２、Ｈ２Ｏ２等の酸化化合物によって、汚染物質が酸化される。温度の上昇により、吸着された種の一部をユニット１の下流側のプラズマ活性化ガスで脱離して酸化することが可能である。実際の実施形態では、上側内部空間５ａおよび中央内部空間５ｅは電極を備え、一方、下側内部空間５ｉは、外部電極７とほぼ同じ電位を有する絶縁体または電極を備える。
図６ａ〜図６ｅは、本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニット１の第５〜第９の実施形態の概略断面図をそれぞれ示している。内部電極６ａ、６ｂを備える単一の内部空間が各々設けられた一対の固体誘電体構造２ａ、２ｂが示されている。一般に、誘電体構造の外側寸法が、板状の構造よりも細長形状の構造に近似する場合に、１つ以上の内部空間を有する固体誘電体構造をより容易かつより堅牢に製造することができる。したがって、断面図で方形状の形状に近似する固体誘電体構造を比較的簡単に実現することができる。さらに、構造２ａ、２ｂは、固体誘電体構造２ａ、２ｂの外面に沿って異なる位置で表面プラズマ８ａ、８ｂを発生させる異なる外部電極７の構成を有する。特に、固体構造の第１の側にあり、固体構造の反対側にあり、固体構造の両側にありそしてブリッジ７ｅを介して接続された外部電極が示されている。
プラズマ活性化ガス、プラズマジェットの噴射は、処理すべき構造の近傍のより局部的に形成されたプラズマと組み合わせることができる。処理すべきおよびジェットを通す構造に沿って、異なるガスを使用することもできる。印加電圧によって、プラズマをジェットから、処理すべき構造に若干延ばすことができる。
固体誘電体構造の部分におけるプラズマの発生を回避するために、ガス透過性の鋸歯構造を有するコロナ電極を適用することができ、前記鋸歯構造は、より薄い、より可撓性のそして適切に取り付けられたコーティングと組み合わされ、このコーティングは、主電流を運ばないので腐食しない。
図７は、図１に示したような表面誘電体バリア放電プラズマユニット１の概略部分分解斜視図を示している。チャネルとして形成された内部空間５を有する固体誘電体構造２ａ、２ｂ、．．．、２ｊのアセンブリは互いに隣接して配置され、前記固体誘電体構造の間には外部電極７が配置される。金属管１１はチャネル５に押し込まれ、アセンブリ全体は上記金属キャップ９の上方に配置される。金属キャップには、固体誘電体構造の側面に沿ったガス流路部に向かってガスを流すための入口１５が設けられる。
図８ａ、図８ｂ、図８ｃは、図１に示した表面誘電体バリア放電プラズマユニット１の概略平面図、断面図および別の断面図をそれぞれ示している。内部空間５の端部は、ホース接続部１８または他の接続手段を介して、電解質流入チャネル１６および電解質流出チャネル１７にそれぞれ接続される。このようにして、温度調節流体および電極として機能する電解質６は、流入チャネル入口Ｅｎから固体誘電体構造２を介して流出チャネル出口Ｅｘに向かって流れることができる。外部電極７は、内部空間５の長手方向軸線に対して横方向の第１の面Ａ１と第２の面Ａ２との距離Ｗに沿って延びる。したがって、第１の面Ａ２と第２の面Ａ２との間にはプラズマ領域が規定される。
図９は、本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニット１の第１０の実施形態の概略断面図を示している。ユニット１は、ずれた２つの列で互いに略平行に配置される複数の固体誘電体構造２を備える。構造は、電解質６が充填された中空管２として形成される。管２の外面は、好ましくはガス吸着剤である多孔質の電気絶縁層１４で覆われる。選択的に、層は触媒材料を含む。管２は、接地された外部電極２０を介して相互に接続され、その結果、外部電極２０は、遠隔位置から、内部電極６と協働して表面誘電体バリア放電プラズマを発生させるための多孔質の電気絶縁層に延びる。さらに、プラズマユニット１には管２の外面に沿ってガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４が設けられる。プラズマユニット１を周期的に作動させて、吸着ガスを化学的に変換することができる。さらに、プラズマユニット１を周期的に作動させて、触媒材料を再活性化することができる。これに関連して、プラズマを周期的に作動させることは、プラズマプロセスが不連続であり、中断され、その結果、プラズマプロセスがその後アクティブおよび非アクティブであることを意味する。代わりに、処理すべき構造を連続的に処理するには、プラズマプロセスは連続的または準連続的である。
図１０ａと図１０ｂは、本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニット１の第１１の実施形態の概略断面図および概略平面図をそれぞれ示している。図１０において、固体誘電体構造２は略板状であり、その構造には、対応するガス流路Ｐ１が延びる複数のスリット２１が設けられる。原則として、単一のスリットを板状の構造２に適用することも可能である。しかし、複数のスリットを適用することによって、処理すべき構造２にガスをより均一に供給することができる。さらに、図１０ａと図１０ｂにおいて、ユニット１は、外部電極として機能しかつ構造２の頂部に配置される単一の金属板７を備える。板７には、固体誘電体構造２のスリット２１にほぼ対応するスリットが設けられる。さらに、チャネルとして形成された複数の内部空間５が誘電体構造２に設けられる。例えば、ミリング法または押出成形法によってチャネルを形成することができる。流体が温度調節流体として機能することもできるように、チャネルは、電解質として付与された内部電極を備える。外部電極と内部電極との間に電圧を印加することによって、表面プラズマ８が得られる。表面プラズマ８は金属板７のスリット２１の比較的鋭いエッジに形成され、多数のプラズマフィラメントは、固体誘電体構造２のスリット２１を介して、金属板７の反対側の構造２の外面に発生することができる。表面誘電体バリア放電プラズマユニット１全体を比較的軽量の製品として実現することができる。板状の固体誘電体構造は、一体的に、あるいは固体誘電体構造素子を組み立てることによって、例えば、エポキシ溶融物またはガラス溶融物で固体誘電体構造素子を互いに接合することによって形成することができる。
このようにして、固体誘電体構造の処理表面に対してほぼ横方向に配向されるガス流路は、固体誘電体構造の開口部を介して、例えば、一体の固体誘電体構造のスリットを介して、または固体誘電体構造を形成する固体誘電体構造素子のアセンブリで互いに隣接して配置される固体誘電体構造素子の間の空間を介して実現することができる。代わりに、固体誘電体構造の外部の空間を介して、ほぼ横方向に配向されたガス流路を実現してもよい。
図１１は、本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニット４１の第１２の実施形態の概略断面図を示している。固体誘電体構造４２はほぼ平行に配置される。しかし、構造４２の外側面５０は正確に平行ではなく、これにより、可撓性の外部構造４８を処理するために使用することができる湾曲した処理表面４３が設けられる。内部電極４６を設けるために、内部空間４５が用いられる。処理表面４３に向かっておよびそこからガスを搬送するために、外部電極４７の間の流路４４が用いられる。プラズマ処理領域から上流側と下流側とにガス流を分離するために、ガス噴射管４９が使用される。ガス噴射管４９は電気絶縁状態または導電状態であり得る。ケーブルを電源から外部電極４７に電気的に接続するために、導電ガス噴射管を使用することが可能である。
図１１に示した実施形態は、例えば織物、ポリマー箔または紙等のロールからロールに搬送される可撓性材料の処理に特に適切である。したがって、可撓性材料の連続処理を容易にするように回転させることができるシリンダを形成すべく、複数の固体誘電体バリア構造素子を配置することができる。
代わりに、固体誘電体バリア構造素子の形状は、プラズマ処理表面４３が円筒状のユニットの内部にあるようなものにすることができ、この場合、円筒状の構造、例えば管またはホースの外面の処理のために、円筒状のユニットを適用することができる。
一般に、当該表面の各側を同時にまたは連続ステップで処理することによって、任意の平坦状の構造の両側を処理することができる。外部電極４７はＵ字形状であり、高い誘電強度または高い導電性を有する接着層によって誘電体構造４２に接続することができる。図１１において、Ｕ字形状の電極は固体誘電体構造の３つの側面を覆う。
図１２は、本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニット５１の第１３の実施形態の概略断面図を示している。ほぼ平行に配置された固体誘電体構造５２は、内部電極５６として各々機能する内部空間５５を有する。各固体誘電体構造の内部電極５６ａと５６ｂの間に電界を印加することによって、したがって、外部電極構造を使用することなく、表面プラズマが処理表面５３に沿って形成される。外部電極を回避することによって、プラズマにより生じる電極の腐食が回避され、プラズマ処理ユニットの寿命が著しく延びる。外側面６２に沿って延びるガス流路４は、ユニット５１によって処理すべき構造５８が延びる処理面に対してほぼ横方向に配向される。
代わりに、穿孔された追加の外部電極６３をプラズマ処理表面５３の反対側に配置してもよい。この選択は、処理表面５３のみによる処理では不十分であろう比較的厚いガス透過性多孔質構造を処理するのに特に有用である。穿孔された電極６３と内部電極５６ａおよび５６ｂとの間に追加の電界を印加することにより、表面誘電体バリアプラズマの空間構造を比較的薄い領域から処理表面５３に沿ってより大きな体積に広げて、多孔質材料５８へのプラズマのより深い侵入を達成することができる。調節可能なプラズマパワー密度およびプラズマ体積を得るために、２つの電源ｖ１とｖ２を使用し、同じ周波数で、しかし、調節可能な振幅および／または相対位相シフトで作動させることが可能である。
図１３は、第１のプラズマ装置２２の概略断面図を示している。本装置は、上記のような本発明の実施形態による４つの表面誘電体バリア放電プラズマユニット１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを備える。特に、本装置は一次ユニット１ａと二次ユニット１ｂ、１ｃと三次ユニット１ｄとを備える。ユニット１の図示例のように、処理面Ｔに達する外部電極７に沿って複数のガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に分割するために、ガスおよび／または前駆体が入口１５を介してプラズマユニット１ａに供給される。外部電極７と内部電極５との間に電圧を印加することによって、表面プラズマが処理面Ｔに発生され、このようにして、処理すべき構造２３が処理される。さらに、プラズマ装置は、ローラ２４ａ、２４ｂと、処理すべき構造２３をプラズマユニット１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに沿って処理面Ｔにガイドするためのガイド手段２５ａ、２５ｂとを備える。その上、装置２２は、追加のガス入口２７を介して追加のガス混合物を供給するための、および／または噴霧器２９を介して液体エアロゾル粒子を供給するためのユニット２６を備える。温度制御された再循環液体は、入口２８を介して供給され、出口３０を介して、超音波噴霧に適切な特定のレベルに維持される。
図１４は、プロセスをより詳細に示すためのプラズマ装置２２の追加の概略断面図を示している。装置２２の作動中、処理すべき構造２３は処理面Ｔに沿って処理方向ＴＤに移動している。第１のステップでは、表面放電プラズマ予備処理のために、構造が一次プラズマユニット１ａを通過し、次に、二次プラズマユニット１ｂ、１ｃを介して主なプラズマプロセスが行われる。その後、三次プラズマユニット１ｄによってプラズマ後処理が行われる。両方の二次プラズマユニット１ｂ、１ｃの間のプラズマ重合領域とも呼ばれる主ガス通路Ｇを介して、ガスが処理面Ｔに供給される。ガスを含有するエアロゾルは、ユニット２６に供給されたガス混合物（例えば窒素−ブタジエン）と、液滴噴霧器２９を介して供給された液体エアロゾルとからなる。液体３１、例えばスチレンは、サブミクロンサイズの固体粒子（例えばＳｉＯ２粒子）の懸濁液を含むことが可能である。
図１５は、複数の固体誘電体構造２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのアセンブリを備える第２のプラズマ装置３２の概略断面図を示している。固体誘電体構造の処理表面３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは処理容量３３を囲む。さらに、処理容量３３を囲むように、処理表面が湾曲している。固体誘電体構造は、ほぼ均質な処理と効果的な温度調節とを可能にするために、処理容量３３から離れた処理表面３から延びる外側部３４を備える。隣接する２つの固体誘電体構造の外側面の間の空間は、少なくとも部分的にガス流路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を規定する。プラズマ装置３２の作動中、ガスはガス流路を介して処理容量３３に向かっておよびそこから流れる。処理容量３３には、処理すべき構造、好ましくは、誘電体構造２の処理表面３の形状とほぼ一致する外周縁を有する構造が配置される。選択的に、ガス流が、処理容量３３の所望の位置で、例えば処理容量３３の中央で、処理すべき構造を保持するための圧力を発生させて、摩擦を回避する。一例として、プラズマ装置３２によって、繊維３４等の、円形断面を有する本体を処理することができる。本装置は、スリット、空間が設けられている、したがってガス流路Ｐ２、Ｐ４が規定されている２つの固体誘電体構造２ａ、２ｂ；２ｃ、２ｄを備える。固体誘電体構造２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、表面プラズマを発生させるための内部電極を組み込んだ内部空間を有する。
少数の誘電体構造、例えば６つの誘電体構造が処理容量を囲むように、構成を設計することもできることに留意されたい。
したがって、複数の用途のために、例えばガス、または構造の処理表面を洗浄するために、例えば接着性、着色性および印刷性の向上のために、プラズマ重合による層の堆積、プラズマ補助グラフトによる層の堆積、粒子の堆積、殺菌または消毒目的のために、本発明によるプラズマユニットを使用することができる。
図１６は、本発明による表面誘電体バリア放電プラズマユニット１００の第１４の実施形態の概略断面図を示している。ユニット１００は、空間１０４ａ〜１０４ｄを規定する細長形状の複数の固体誘電体構造１０２ａ〜１０２ｅを備え、空間１０４ａ〜１０４ｄは、ガス流Ｐ１〜Ｐ４が主ガス流路Ｐから処理表面１０３ａ〜１０３ｅに流れることを可能にし、ここで、誘電体構造内部の電極１０６ａ〜１０６ｅと、Ｕ字形状の外部電極１０７ａ〜１０７ｅとを供給することによって、表面プラズマが発生される。プラズマユニット１００によって処理すべき基板１１０は、ユニット１００の作動中に移動方向Ｄ１に搬送される。
本発明の態様によれば、処理表面に対してほぼ横方向に外部電極に沿ってガス流路部を設けることにより、外部電極への望ましくない堆積を軽減することができる。外部電極は、表面プラズマを軽減し、したがって、ガス流路に沿った望ましくない堆積を軽減する。しかし、ガスまたは物体（表面）、さらには繊維ウェブ／繊維のＤＢＤ処理において、それらの固体誘電体構造、および／またはそれらの構造に隣接する電極における望ましくないコーティングの形成が生じることがある。
原則として、望ましくないコーティングは処理表面１０３ａ〜１０３ｅに形成されることがある。従来の平面型ＳＤＢＤ電極（横方向ガス流路を有しない）を使用した場合に適用される方法と同様に、基板が連続的または段階的に処理表面を通過するときに、箔、紙、繊維ウェブ、または繊維束等のような移動している基板自体による連続した機械的除去によって、望ましくないコーティングを回避することができる。
しかし、材料のこの機械的除去が行われない場合、例えば、ガスを処理し、ガスで粒子を合成または被覆する場合、あるいは物体が処理表面から有限の距離において処理される場合、処理表面への望ましくない堆積が頻繁に発生する。
さらに、ユニット１００は、望ましくない堆積物質を除去するために、固体誘電体構造に沿って、誘電体のワイヤ束または繊維束、あるいは非常に開放的なガス透過性繊維ウェブ等の洗浄品１１１を備える。処理表面の望ましくない堆積物質を除去するために用いることができないかまたはそれほど適切ではないガス処理、または粉末を含む物体の任意の表面の処理のために、誘電体構造が使用される場合に、特に洗浄品１１１を使用することができる。
図示した実施形態では、洗浄品は、再利用するために、ローラシステム１１２ａ〜１１２ｄを介して洗浄室１１３内に移動される。その代わりにまたはそれに加えて、洗浄品１１１が連続的に置換される。例えば、表面処理またはガス処理のために、プラズマが存在しない際におよび／またはプラズマの適用が行われていない際に、洗浄手順を連続的、断続的または周期的に適用することができる。少なくとも重要な部分または処理表面全体を洗浄するために、繊維／繊維ウェブが、処理表面１０３の面の互いに独立した２つの方向に処理表面に沿って移動されることが好ましい。さらに、洗浄品自体の洗浄手順は種々の方法で、例えばプラズマ処理を用いることによって行うことができることに留意されたい。
代わりに、他の洗浄装置、例えば固定ブラシを使用してもよい。このような洗浄装置は、特に、シリンダとして配置された固体誘電体構造と組み合わせて適用することができる。シリンダまたは洗浄装置の一方または両方が回転移動することができる。構造は、電源を分離するように接続される別個の電極を有する種々の素子として形成されるので、回転シリンダ構成の特定の場合において、洗浄中にプラズマをオフにすることができる。
処理表面に沿って通過する導電性電極ワイヤを使用する方法も考慮すべきである。この場合、Ｕ字形状の外部電極は、それらの導電性ワイヤと同じ極性を有しないかまたは有する。Ｕ字形状の電極の不在は、容易に洗浄することができない望ましくない堆積をガス流路に生じさせるので好ましくない。ＳＤＢＤを処理表面に形成する導電性ワイヤの概念は代替例として含むことができる。
処理表面への金属の堆積を回避するために、洗浄品はポリマーまたはガラスを含むことが好ましい。図１７は、固体誘電体構造１２０の実施形態の概略側断面図を示している。図１８は、図１７の固体誘電体構造の概略平断面図を示している。構造は、Ｕ字形状の外部電極１２１と、誘電体１２３、１２４に埋め込まれた内部電極１２２とを備える。ユニット１２０の作動中、その処理側で表面プラズマ１２５が発生する。図１６では、２つの固体誘電体構造が組み立てられて、単一のプラズマユニットが形成される。ユニットは、処理表面１２５の端部を規定する反応器壁１２６を備える。この領域の電界を制限するために、反応器壁１２６の内側面には、比較的大きな電極１２７が存在する。
製造（押出成形によるものではない）のための１つの選択は、Ｕ字形状の外部電極１２１と中央円筒導体１２２、すなわち内部電極との間の空間に、充填後に硬化される液体材料１２３、１２４を充填することである。材料は、電極のために使用される金属と同じ大きさの十分な誘電強度および熱膨張係数を提供するガラス、セラミック、ガラスセラミック、エポキシまたは任意の複合材料であり得る。
代わりに、内部電極１２２を備える円筒状のセラミック管またはガラス管１２３と充填誘電体材料１２４との組み合わせによって、電極の間の空間を充填してもよい。低い製造コストと高い絶縁破壊強度とを提供することに加えて、この構造は、電源から外部ケーブルへの高電圧フィードスルーの比較的容易な製造を可能にする。固体誘電体に硬化するための液体を中間空間に充填することによって、気泡等の凸凹の発生が軽減される。
さらに、円筒状のセラミック管またはガラス管１２３が反応器壁の外部に延び、したがって、反応器の境界における絶縁破壊の可能性が軽減され、装置の堅牢性が向上することに留意されたい。その上、図１９に示した他の形態において、充填誘電体材料１２４も反応器壁の外部に延び、その結果、プラズマユニットの堅牢性がさらに向上することに留意されたい。
図１７〜図１９に示した構造は、製造工程に関する利点を提供する。金属外部電極は本質的にＵ字形状の構造を有し、内部電極は本質的に円筒状の構造を有する。セラミックまたはガラスの粒子状物質（の混合物）を含む粉末または液体材料、最終的にはバインダ材料を使用した射出成形によって、誘電体バリア材料を得ることができる。さらに、材料は、高電圧絶縁と、隣接する電極材料の材料に依存する熱膨張係数とを実現するために、適切なガラス添加剤またはセラミック添加剤を有するエポキシ樹脂を含むことが可能である。平坦な処理表面を形成する内部電極と共に、Ｕ字形状の外部電極に粉末または液体を噴射することができる。
代替例として、内部電極は、最初に薄層として堆積されるか、あるいは細い金属管として、押出成形法により製造されているセラミック管またはガラス管に挿入される。次に、誘電体管がＵ字形状の構造に挿入され、誘電体管とＵ字形状の外部電極との間の空間が射出成形によって充填される。別の代替例として、内部固体電極材料が電解液電極に置き換えられる。
さらに、Ｕ字形状の電極は、薄い金属シート材料を含むことが可能であり、この金属シート材料は、温度変化および／または機械的振動の状態下において、固体誘電体構造に対するより良い結合／接着特性を有することが可能である。この特定の場合において、外部電極（図示せず）の腐食耐性および侵食耐性を向上させるために、Ｕ字形状の金属構造のエッジを、追加の細長い金属素子によって延長するかまたはそれに接続することが可能である。
さらに、示されている構造は、ストリーマ放電の得られた空間構造に関する利点を提供する。このことを以下に説明する。
ストリーマはイオン化フィラメントであり、これらのイオン化フィラメントは、最大印加電界を有する領域に形成され、時間の関数としてのフィラメントの長さを処理表面に沿って、より低い印加電界を有する領域まで増加させる。ストリーマは１０５ｍ／ｓのオーダーの速度を有することができる。延びるストリーマの構造は、導電性「ストリーマチャネル」によって規定された、典型的に約１００マイクロメートルの直径を有する伝播およびイオン化「ストリーマヘッド」として示すことができ、前記導電性「ストリーマチャネル」は、ヘッドと、このヘッドが当初形成された電極との間の弱くイオン化された導電性プラズマである。
ストリーマヘッドの伝播、したがってストリーマチャネルの長さは、弱くイオン化されたプラズマチャネルに沿った電圧の低下によりストリーマの長さに応じて減少するストリーマヘッドの電位、および伝播ストリーマヘッドの近傍のイオン化されていないガスの電界等の種々の要因に依存する。次に、前記電界は、電極形状と、固体誘電体構造の形状および誘電率と、他の近傍のストリーマ放電の電荷および構造（ストリーマの間の静電反発力）とに依存することが可能である。
公知の板状の固体誘電体構造では、ストリーマが形成される処理表面と内部電極との距離が一定である。その結果、近傍のストリーマの電荷と相まって、ストリーマの長さにわたり電圧が低下することにより、ストリーマの長さが制限される。
固体誘電体構造および電極の提供された構成の目的は、内部電極と外部電極との間に印加される最小電圧電位を用いて、最大長さを有する最大数のストリーマを形成することである。最小電圧の最適化されたストリーマ放電構造が、誘導化学プロセスの効果およびエネルギー効率に有用であることが予想される。
このことは以下のように実現することができる。図１７〜図１９に示した構造では、ストリーマチャネル長さの増加中に、ストリーマの「ヘッド」と内部電極との距離が減少する。このようにして、導電チャネルの抵抗性によるストリーマヘッドの電位損失は、伝播ストリーマヘッドの近傍のイオン化されていないガスにおいて、局部的な印加電界の増加により補償される。さらに、伝播ストリーマヘッドの近傍の局部的な印加電界も誘電体材料の誘電率に依存する。図１７〜図１９に示した固体誘電体構造に関して、この構造は、２つ以上の誘電体材料、例えば、内部電極を含むセラミック管、および円筒管とＵ字形状の外部電極との間の空間にあるガラス状の充填材料からなることができる。円筒管の誘電率が周囲材料よりもはるかに高く選択された場合、伝播ストリーマヘッドの近傍の印加電界は、構造の中央領域に接近したときに高められ、この場合、ガラス状の充填材料の厚さは比較的薄い。一例として、セラミック管はアルミナ（相対誘電率εｒ＝１０を有するＡｌ２Ｏ３）から製造することができ、充填材料は、相対誘電率εｒ＝３〜５を有する種類のガラスから製造することができる。チタン酸バリウムおよび／またはチタン酸ストロンチウム等の材料を添加することによって、非常に高い誘電率を有するセラミック−ガラス複合材料を製造することができる。
図２０は、本発明の態様によるプラズマ装置の概略断面図を示している。反応器には、基板通路２５０に沿った複数のプラズマ領域２０１、２０２、２０３に沿ってまたはそれらを介して基板２０７を搬送するための第１および第２の巻き取りロール２０８、２０９が設けられる。プラズマ領域２０１、２０２、２０３は、基板２０７を処理するためのプラズマ発生装置を備える。各領域２０１、２０２、２０３では、特定の処理が行われる。特に、第１の領域２０１では、表面活性化が行われ、第２の領域２０２では、粒子、好ましくはナノ粒子が堆積して付着され、そして第３の領域２０３では、基板への最後の重合および／または化学結合架橋および化学結合強化が行われる。
原則として、基板２０７を処理するために、記載した全てのプラズマ領域を適用することが不要であることに留意されたい。一例として、いくつかの場合に、例えば、第２の領域２０２の付着作用が、特定の用途の物理的要求を満たすように発生した場合に、第３の領域を省略することができる。第２の例として、基板表面活性化および粒子堆積のために交互にプラズマ領域２０２を用いて、第１の領域を省略することができる。
各プラズマ領域２０１、２０２、２０３のプラズマ発生装置は、基板２０７を処理するための表面誘電体バリア放電装置を備える。表面誘電体バリア放電構造は誘電体２３０、２３１、２３２、２３３を備え、この場合、基板通路２５０の近傍の外面の適切な部分が電極２３４によって覆われる。電極２３４に電位を印加すると、電極２３４の間の表面の近傍でプラズマフィラメントが発生される。
図２０では、第１の領域２０１は、誘電体２３０、２３１、２３２、２３３を有するこのような複数の表面誘電体バリア放電装置を備える。同様に、第３の領域２０３は、誘電体２３５、２３６、２３７、２３８と電極２３４とを有する複数の表面誘電体バリア放電装置を備える。
図２０に示した第２の領域２０２は、基本の表面誘電体バリア放電素子を使用して構成されるより複雑なプラズマ発生装置を備える。複数の表面誘電体バリア放電素子２４２は、隣接する表面誘電体バリア放電素子２４２の反対側外面２４３Ａ、２４３Ｂの間のチャネル２４１を規定するように平行に配置される誘電体２３９を有し、前記反対側外面２４３Ａ、２４３Ｂは、反応器の領域２０２のプラズマ発生装置の概略断面図を示している図２１に示したように、少なくとも電極２４０によって覆われる。
好ましくは、誘電体２３９の端部は基板通路２５０の近傍に配置される。選択的に、処理すべき基板２０７の近傍でプラズマフィラメントを発生させるために、基板通路２５０の近傍の誘電体２３９の端面には、電極ｖ１、ｖ２が設けられる。
単一の外面２４３Ｂに配置された電極ｖ３、ｖ４に電圧電位を印加することによって、表面プラズマフィラメント放電２２６がチャネル２４１に発生される。さらに、反対側外面２４３Ａ、２４３Ｂに配置された電極ｖ５、ｖ６に電圧電位を印加することによって、容量プラズマフィラメント放電２２７がチャネル２４１に発生される。このようにして、反応器の領域２０２のプラズマ発生装置の選択された電極を駆動することにより、粒子流路２４１の予め選択された位置において、異なる種類の放電を発生させることができる。
粒子流路２４１では、処理すべき基板２０７に粒子が飛散する。所望の場合、このような粒子は、本明細書に記載したようなチャネル２４１で予め処理することができる。表面放電を発生させることによって、瞬時の局部的な温度上昇が生じる。電極に印加される電圧周波数に従った周波数を有する別の圧力波が発生され、周波数は、例えば約０．１〜１００ｋＨｚの範囲にある。表面放電によって生じる局部的な温度上昇の現象は、プラズマにより生じる熱伝達のために用いることができ、そして固体粒子および／または液体粒子を誘電体２３９の表面２４３Ａ、２４３Ｂから追い出す力がそれらの粒子に加えられるという効果を有する。
本発明は、本明細書に記載した実施形態に限定されない。多数の別形態が可能であることが理解されるであろう。
さらに、内部電極と、表面誘電体バリア放電プラズマを発生させるための固体誘電体構造の外面に隣接して配置されている別の外部電極とを使用する代わりに、表面プラズマを発生させるための一対の内部電極を使用することができる。その上、外部電極が使用される場合、表面プラズマを発生させるために、電極を固体誘電体構造に直接接触するようにまたはそれに隣接するように配置することができる。
上記実施形態は、断面が円形の内部空間を有する。しかし、他の形状、例えば方形状の内部空間を適用することもできる。
誘電体構造の処理表面が電極を有しないように、および外側面が少なくとも部分的に外部電極によって覆われるように、図６、図９、図１０および図１２に示した実施形態を修正することができることに留意されたい。
このような他の形態は、当業者に対して明らかであり、以下の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲内にあると考えられる。
１ 表面誘電体バリア放電プラズマユニット
１ａ 表面誘電体バリア放電プラズマユニット
１ａ 一次プラズマユニット
１ｂ 表面誘電体バリア放電プラズマユニット
１ｂ 二次プラズマユニット
１ｃ 表面誘電体バリア放電プラズマユニット
１ｃ 二次プラズマユニット
１ｄ 表面誘電体バリア放電プラズマユニット
１ｄ 三次プラズマユニット
２ 固体誘電体構造素子
２ａ 固体誘電体構造素子
２ｂ 固体誘電体構造素子
２ｃ 固体誘電体構造素子
２ｄ 固体誘電体構造素子
２ｅ 固体誘電体構造
２ｆ 固体誘電体構造
２ｇ 固体誘電体構造
２ｈ 固体誘電体構造
２ｉ 固体誘電体構造
２ｊ 固体誘電体構造
３ 処理表面
３ａ 処理外面
３ａ 処理表面
３ｂ 処理外面
３ｂ 処理表面
３ｃ 処理外面
３ｃ 処理表面
３ｄ 処理外面
３ｄ 処理表面
４ 空間
４ ガス流路
４ａ 空間
４ｂ 空間
４ｃ 空間
５ 内部空間
５ チャネル
５ 内部電極
５ａ 上側内部空間
５ｂ 上側内部空間
５ｃ 上側内部空間
５ｄ 上側内部空間
５ｅ 下側内部空間
５ｅ 中央内部空間
５ｆ 下側内部空間
５ｇ 下側内部空間
５ｈ 下側内部空間
５ｉ 下側内部空間
６ 内部電極
６ 液体またはガス
６ 固体電極
６ 導電温度調節流体
６ 電解質
６ａ 内部電極
６ｂ 内部電極
６ｃ 内部電極
６ｄ 内部電極
７ 外部電極
７ 金属板
７ａ 別の外部電極
７ｂ 別の外部電極
７ｃ 別の外部電極
７ｄ 別の外部電極
７ｅ 別の外部電極
７ｅ ブリッジ
７ｆ 別の外部電極
７ｇ 別の外部電極
７ｈ 別の外部電極
８ａ 表面誘電体バリア放電プラズマ
８ｂ 表面誘電体バリア放電プラズマ
８ｃ 表面誘電体バリア放電プラズマ
８ｄ 表面誘電体バリア放電プラズマ
９ 金属導電構造
９ 金属キャップ
１０ 接地および穿孔された導電板
１１ 導電壁
１１ 金属管
１２ 外側面
１２ 側壁
１３ 導電温度調節流体
１４ 多孔質の電気絶縁層
１５ 入口
１６ 電解質流入チャネル
１７ 電解質流出チャネル
１８ ホース接続部
２０ 接地された外部電極
２１ スリット
２２ 第１のプラズマ装置
２３ 処理すべき構造
２４ａ ローラ
２４ｂ ローラ
２５ａ ガイド手段
２５ｂ ガイド手段
２６ ユニット
２７ 追加のガス入口
２８ 入口
２９ 液滴噴霧器
３０ 出口
３１ 液体
３２ 第２のプラズマ装置
３３ 処理容量
３４ 外側部
３４ 繊維
４１ 表面誘電体バリア放電プラズマユニット
４２ 固体誘電体構造
４３ 湾曲した処理表面
４４ 流路
４５ 内部空間
４６ 内部電極
４７ 外部電極
４８ 可撓性の外部構造
４９ ガス噴射管
５０ 外側面
５１ 表面誘電体バリア放電プラズマユニット
５２ 固体誘電体構造
５３ プラズマ処理表面
５５ 内部空間
５６ 内部電極
５６ａ 内部電極
５６ｂ 内部電極
５８ 処理すべき構造
５８ 多孔質材料
６２ 外側面
６３ 穿孔された追加の外部電極
１００ 表面誘電体バリア放電プラズマユニット
１０２ａ 細長形状の固体誘電体構造
１０２ｂ 細長形状の固体誘電体構造
１０２ｃ 細長形状の固体誘電体構造
１０２ｄ 細長形状の固体誘電体構造
１０２ｅ 細長形状の固体誘電体構造
１０３ 処理表面
１０３ａ 処理表面
１０３ｂ 処理表面
１０３ｃ 処理表面
１０３ｄ 処理表面
１０３ｅ 処理表面
１０４ａ 空間
１０４ｂ 空間
１０４ｃ 空間
１０４ｄ 空間
１０６ａ 電極
１０６ｂ 電極
１０６ｃ 電極
１０６ｄ 電極
１０６ｅ 電極
１０７ａ Ｕ字形状の外部電極
１０７ｂ Ｕ字形状の外部電極
１０７ｃ Ｕ字形状の外部電極
１０７ｄ Ｕ字形状の外部電極
１０７ｅ Ｕ字形状の外部電極
１１０ 処理すべき基板
１１１ 洗浄品
１１２ａ ローラシステム
１１２ｂ ローラシステム
１１２ｃ ローラシステム
１１２ｄ ローラシステム
１１３ 洗浄室
１２０ 固体誘電体構造
１２１ Ｕ字形状の外部電極
１２２ 内部電極
１２２ 中央円筒導体
１２３ 誘電体
１２３ 液体材料
１２３ 円筒状のセラミック管またはガラス管
１２４ 誘電体
１２４ 液体材料
１２４ 充填誘電体材料
１２５ 表面プラズマ
１２５ 処理表面
１２６ 反応器壁
１２７ 比較的大きな電極
２０１ プラズマ領域
２０１ 第１の領域
２０２ プラズマ領域
２０２ 第２の領域
２０３ プラズマ領域
２０３ 第３の領域
２０７ 基板
２０８ 第１の巻き取りロール
２０９ 第２の巻き取りロール
２２６ 表面プラズマフィラメント放電
２２７ 容量プラズマフィラメント放電
２３０ 誘電体
２３１ 誘電体
２３２ 誘電体
２３３ 誘電体
２３４ 電極
２３５ 誘電体
２３６ 誘電体
２３７ 誘電体
２３８ 誘電体
２３９ 誘電体
２４０ 電極
２４１ チャネル
２４１ 粒子流路
２４２ 表面誘電体バリア放電素子
２４３Ａ 外面
２４３Ｂ 外面
２５０ 基板通路
Ａ１ 第１の面
Ａ２ 第２の面
Ｄ１ 移動方向
Ｅｎ 流入チャネル入口
Ｅｘ 流出チャネル出口
Ｇ 主ガス通路
Ｐ 主ガス流路
Ｐ１ ガス流路
Ｐ２ ガス流路
Ｐ３ ガス流路
Ｐ４ ガス流路
Ｔ 共通の処理面
ＴＤ 処理方向
ｖ１ 電極
ｖ２ 電極
ｖ３ 電極
ｖ４ 電極
ｖ５ 電極
ｖ６ 電極
Ｗ 距離

Claims (20)

  1. 内部電極が配置される内部空間が設けられた固体誘電体構造を備え、さらに、前記内部電極と協働して表面誘電体バリア放電プラズマを発生させるための外部電極を備える表面誘電体バリア放電プラズマユニットであって、前記表面誘電体バリア放電プラズマユニットには、前記固体誘電体構造の表面に沿ってさらにガス流路が設けられ、該ガス流路が、前記固体誘電体構造の処理面に対して垂直方向に配向され、前記固体誘電体構造が、処理外面と該処理外面に対して所定の角度をなす外側面とを有する細長い形状を有し、前記外側面に沿って、前記ガス流路の少なくとも一部が配置され、固体誘電体構造の外側面が少なくとも部分的に外部電極によって覆われる表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  2. 前記処理外面が電極を有しない請求項１に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  3. 前記外部電極が前記固体誘電体構造の処理外面に隣接して配置される請求項１または２に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  4. 前記内部電極は電解質で構成される請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  5. 前記電解質がさらに温度調節流体として機能する請求項４に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  6. 前記内部電極が導電体によって囲まれる請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  7. 前記固体誘電体構造が開口部を有し、該開口部に前記ガス流路が接続される請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  8. 各固体誘電体構造の処理外面が共通の処理面に延びるようにほぼ平行に配置された複数の固体誘電体構造のアセンブリをさらに備え、そして隣接する固体誘電体構造の間の空間が前記ガス流路の少なくとも一部を規定する請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  9. 前記固体誘電体構造が板状であり、前記誘電体構造には、前記ガス流路が延びるスリットが設けられる請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  10. 前記固体誘電体構造には複数のスリットが設けられ、該複数のスリットの各々がガス流路の少なくとも一部を規定する請求項９に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  11. 前記固体誘電体構造の前記内部空間が細長い請求項１〜１０のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  12. 前記固体誘電体構造の前記内部空間が、押出成形法および／または射出成形法によって形成されている請求項１〜１１のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  13. 前記固体誘電体構造が複数の別個の内部空間を有し、該複数の別個の内部空間の少なくとも１つが単に温度調節流体チャネルとして機能する請求項１〜１２のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  14. 前記固体誘電体表面の処理外面が少なくとも部分的に前記外部電極によって覆われる請求項１〜１３のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  15. 少なくとも部分的に前記固体誘電体構造の処理外面に沿って延びる接地および穿孔された導電板をさらに備える請求項１〜１４のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  16. 前記固体誘電体構造の処理外面が、ガスを吸着する多孔質の電気絶縁層によって覆われる請求項１〜１５のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  17. 外部電極が地面に接続される請求項１〜１６のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  18. 複数の固体誘電体構造を備え、固体誘電体構造が、外部電極が配置される細長い中空管を形成し、該中空管の処理外面が多孔質の電気絶縁層によって覆われ、前記外部電極が遠隔位置から前記多孔質の電気絶縁層に延びる請求項１〜１７のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  19. 複数の固体誘電体構造のアセンブリを備え、前記固体誘電体構造の処理表面が処理容量を囲み、前記ガス流路が、少なくとも部分的に、隣接する２つの固体誘電体構造の外側面の間の空間によって規定される請求項１〜１８のいずれか１項に記載の表面誘電体バリア放電プラズマユニット。
  20. 表面誘電体バリア放電プラズマを発生させる方法において、固体誘電体構造の内部空間に配置された内部電極と外部電極との間に電圧を印加するステップを含み、さらに、前記構造の表面に沿ったガス流路に沿ってガス流を誘導するステップを含む方法であって、前記ガス流路が、表面誘電体バリア放電プラズマユニットの固体誘電体構造の処理面に対して垂直方向に配向され、前記固体誘電体構造が、処理外面と該処理外面に対して所定の角度をなす外側面とを有する細長い形状を有し、前記外側面に沿って、前記ガス流路の少なくとも一部が配置され、固体誘電体構造の外側面が少なくとも部分的に外部電極によって覆われる方法。
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