JP5756514B2 - Ｄｂｄプラズマ法のための電極及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体バリア放電（ＤＢＤ）を採用する方法を使用して表面を処理及び／または加工する際に使用されることを意図された電極を含む装置（またはツール）に関し、特に大量のガラスを被覆するための方法、特に連続的な製造方法に関する。

本発明はまた、この装置のためのかかる電極を製造するための方法、及びかかる電極に関する。

特に板ガラスの分野、しかしまたプラスチック膜の分野で、表面をプラズマで処理することは周知である。かかる処理は、少なくとも二つの電極間にプラズマを発生し、このプラズマ中に前駆体を注入し、反応及び／またはイオン化により反応体を出現させ、その反応体が処理されるべき表面と反応することからなる。

問題は、電極が次のような非常にきびしい作業条件にさらされることである：プラズマは非常に熱い；高反応性生成物が注入され及び／または発生される；及び電圧、電流、及び周波数条件が電極の表面での静電力及びアーク放電を発生させ、おそらく電極の局所破損に導き、さらには純粋かつ簡単な破壊さえ導く。

これらの問題は、電極が大量のガラスのような、大きな面積の表面を処理するための製造ラインに置かれるときに一層ひどくなる。

これらの問題を緩和するための既知の一つの方法は、処理される表面に面する電極の側に電気的に絶縁する層を置くことにある。

しかし、かかる複合電極自体を製造することは、解決するのが容易でない一連の技術的問題を起こす。円筒電極の場合、誘電体はスリーブの形をとることができ、それは誘電体を電極の表面に固定する問題を幾何学的に解決する。しかし、活性表面は、円筒の母線の一つに追従し、従ってそれは非常に小さく、それにより比較的遅い走行速度及び／または複数の電極素子の使用を意味する。

平坦電極もまた、特にもしそれらが大きいなら問題を起こす：平坦表面の本質的な幾何学形状は固定手段として使用されることができない。さらに、誘電体と平坦電極材料（一般的に金属）は、非常に異なることが多い膨張係数を持ち、それによりそれらを製造及び使用することを困難にする。

電極及び誘電体層をしっかりと固定するために種々の技術が使用されることができる。

ＷＯ２００４／００１７９０及びＵＳ２００５／０２２６８０２は、接着剤結合を使用する。接着剤の性質は教示されていない。第一の文献では、電極の一つは多孔質である。第二の文献では、電極が使用される文脈は化学物質の製造である。悪臭の排除に関するＷＯ２００７／０３８２５６では、金属格子が、シリコーン接着剤を用いて誘電体に接着剤結合される。ＵＳ２００６／０１９６４２４では、電極の誘電部分と金属の間の密接な接触は、電気的に伝導性の液体、または電気的に伝導性の接着ポリマーの挿入により得られる。

ＵＳ２００７／０１８２３２７では、結合を作るために陽極酸化が使用される。ＵＳ２００５／０１７９３９５はスパッタリングを採用する。ＷＯ００／７１８８６６は電着を採用する、化学蒸着はＵＳ６６９２７０４に述べられている。ＵＳ６６９２７０４は浸漬被覆を使用する。

ＵＳ２００８／１７９２８６Ａ１は、ＤＢＤ電極の製造の幾何学的記載を開示するが、電極が組み立てられる方法を述べていない。

ＷＯ０２／３５５７６Ａ１は、ＤＢＤ電極を冷却するための装置に関するが、ポリマー中間層について何も述べていない。

本発明の第一目的は、ＤＢＤ法のための大きな平坦電極を提供することである。

本発明の別の目的は、この電極を耐久性のあるものにすることである。

本発明の別の目的は、この電極の局所的なアーク放電を防ぐことである。

本発明の別の目的は、この電極の製造を比較的容易にしかつ合理的に安価にすることである。

本発明の第一主題は、表面のＤＢＤプラズマ処理のための平坦電極であり、前記電極は、高電圧に上昇されることを意図され、かつ金属エンベロープを含み、前記エンベロープは、処理される表面に対して平行に置かれることができる活性部分を含み、前記活性部分は誘電体シートにより外側を覆われており、前記電極は、誘電体シートがポリマー中間層により活性部分に固定されていることを特徴とする。

有利には、活性部分の内部側は、金属エンベロープと熱交換器を形成し、この熱交換器は、熱伝達流体または冷媒（冷却剤とも呼ばれる）が流れる冷却回路に連結されるよう設計されることができる。

本発明の別の主題は、表面のＤＢＤプラズマ処理のための平坦電極を含む装置であり、この電極は、少なくとも一つの冷却回路に連結され、かつ高電圧に上昇されることを意図されており、前記電極は金属エンベロープを含み、金属エンベロープは、処理される表面に対して平行に置かれることができる活性部分を含み、前記活性部分は誘電体シートにより外側を覆われており、誘電体シートがポリマー中間層により活性部分に固定され、活性部分の内側が金属エンベロープと熱交換器を形成しており、この熱交換器が、熱伝達流体が流れる少なくとも一つの冷却回路に連結されていることを特徴とする。

有利には、ポリマー中間層は、０〜１００℃の温度範囲に対して０．０１×１０^−６／℃〜１０００×１０^−６／℃の線熱膨張係数差に適合する破壊時の伸びを持つ。これは、誘電体シートと電極の活性部分の間の良好な接着を可能にし、かつ加熱されたときに互いに対する引裂または剪断のようないかなる機械的劣化も防止する。

一つの有利な実施態様によれば、ポリマー中間層は、その場での化学反応により製造されたポリマー、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、ＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル）、及びＰＶＢ（ポリビニルブチラール）の群から選ばれたポリマーから作られる。有利には、この層は０．３〜０．７ｍｍの厚さである。なぜならこの層は誘電体シートと活性部分の寸法のいかなる変動も考慮に入れるのに十分な厚さでなければならないからである。

一つの好適実施態様によれば、中間層はＰＶＢ（ポリビニルブチラール）から作られる。

別の好適実施態様によれば、冷却媒体は水である。

この水は、水に低伝導率を持たせるために低無機質含有量を持つことが好ましい。

電極は、良好な電気伝導率及び良好な熱伝導率の両方を持つ材料から作られることが極めて有利である。典型的には、金属エンベロープは１〜８０ｍ／（Ωｍｍ^２）の電気伝導率と５０〜４００Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率の両方を持つ金属から作られる。

金属は銅であることが有利である。

誘電体層は、例えばアルミナ、石英もしくはガラスセラミックのシート、または同一効果に対して使用されることができる別の好適な材料のシートである。

好ましくは、この装置では、電極は、二つの冷却回路、即ち第一熱交換器を備えた一次冷却回路と第二熱交換器を備えた二次冷却回路に連結される。第二熱交換器は、低電気伝導率を持つ材料から作られた導管を介して一次冷却回路を二次冷却回路に連結し、これらの導管の長さと断面は、これらの導管の絶縁抵抗が第二熱交換器を接地することにより無視できる洩れ電流しか起こさないほど十分な高さであるようなものであるように計算される。この実施態様の一つの利点は、人員の安全に対する危険なしに作業が冷却回路上で実施されることができることである。

別の有利な実施態様によれば、二次冷却回路の供給及び戻り導管はドラムの周りに巻かれる。この実施態様の一つの利点は、導管の長さがどうであれ、冷却システムが小さな設置面積を持つことである。好ましくは、二次冷却回路の供給及び戻り導管は、ドラム上に並んで置かれる。

二次冷却回路はさらに、冷却剤の伝導率を周期的に測定する制御システムを含むことができる。

かかる装置の好適でかつ有利な実施態様は、電極のために上述されたものである。

本発明の別の態様は、上に規定されたような表面のＤＢＤプラズマ処理のための平坦電極を製造するための方法であり、それは以下の操作を含む：
ａ）高電圧に上昇されることができる金属エンベロープを製造する、但し金属エンベロープは、外部平坦部分と、冷却剤が流れることができる内部容積を含む；
ｂ）ポリマー膜を平坦部分の外側に置く；
ｃ）このポリマー層上に誘電体シートを配置する；
ｄ）電極をポリマー膜が柔らかくなるまで加熱する；
ｅ）このように形成された電極装置をいかなる泡も消えてしまうまで減圧内に置く；
ｆ）このように形成された電極装置を加圧下に置く；及び
ｇ）電極を徐々に冷却する。

工程ａ）では、このエンベロープは、多数の部品で製造されることができ、それらは、当業者に知られた種々の方法の一つを使用して一緒に結合される。

工程ｂ）では、この平坦エンベロープの外部側（または外部部分）はポリマー層で熱被覆される。ポリマーはまた、二つの予め置かれた表面間に注入されることができる。

工程ｅ）及びｆ）においてこのように形成された電極を減圧室内に置き、次いで加圧室内に置くことは、気泡が形成することを防ぐ利点を持つ。これらの泡は局所的な電気アーク放電を起こしやすい。

有利な実施態様によれば、ポリマー層はポリビニルブチラール（ＰＶＢ）から作られる。

本発明の一つの利点は、ＰＶＢが、非常に高い温度に耐えることができないけれども、活性部分と誘電体の熱膨張係数間の差のために極めて実質的な膨張差が吸収されることを可能にすることである。

本発明のこれらの及び他の態様は、図面を参照してなされる、その特別な実施態様の詳細な説明中に示されている。

図１は、本発明による電極の部分断面の半等角投影の透視図である。

図２は、図１の電極の供給コイルの断面透視図である。

図３は、図２のコイルの面ＩＩＩ−ＩＩＩでの概略断面図である。

図４は、二つの冷却回路を含む電極装置の全体の概略図である。

図は、縮尺どおりではない（厚さは、特に読み易さのために拡大されている）。一般的に、同様の要素は、図面中に同一の参照番号を与えられている。

図１は、本発明の電極の概略図である。この電極１は特に大きな容積のガラスの表面を処理及び／または被覆するために開発されたので、それは典型的には長さ約４メートルであることができる。それが部分図しか示されていない理由である。

この電極１は通常、別の電極に対面して取り付けられ、電極間に非常に高い電圧のＨＦ電界を付与することにより、これらの二つの要素を分離する隙間でプラズマが発生される。電極の「活性」部分、即ちこの第二電極３６の方に配向された部分は、本質的に平坦な領域２であり、それはここでは下方に配向して示される（図４）。当業者が直面する問題の一つは、イオン化されたガス内に形成されるスパークの危険である。かかるスパークは、非常に高い電流を伴ない、エネルギーを浪費するのみならず、処理される表面内に欠陥を起こし、電極を劣化する。誘電体層４、例えばアルミナ、石英、ガラスセラミック、または別の好適な材料のシートは、この現象を防ぐために電極間の隙間に置かれる。

かかる誘電体層４を挿入することにより破損の問題を解決するが、誘電体層４を電極１の活性部分２にどのように結合するかのような他の問題を起こす。これらは容易に両立できない性質の材料から作られるので、極めて洗練された接着剤結合技術が一般的に使用され、それらは一般的に種々の材料から作られた介在中間層を採用し、それにより電極の製造費用を高くする。さらに、電極は特にジュール損失を減らすように優れた電気伝導体から作られることが極めて有利であり、それは銅、銀等のような金属の使用を意味する。しかし、これらの金属は一般的に誘導体と全く違った高い膨張係数を持つ。従って、結合層は高剪断力にさらされる。

それゆえ、通常の技術（溶接、適合性のある分子状被覆、純粋かつ簡単な接着剤結合）を使用する代わりに、中間層６を使用してこの結合を形成することが考えられた。しかし、どの材料が好適な中間層を形成するかどうかは明らかでない。

特に、この中間層６は、例えば誘電体絶縁を無効にする役割を有する微細な気泡の出現を防ぐ均一な結合を形成しなければならないし、結合される材料の側が絶対的に平行のままであることを確実にしなければならない。

中間層６は、異常な応力条件（温度及び圧力）下で二つの材料を一緒に保持することを可能にする接着特性を持たなければならない。

中間層６は、結合される材料の熱膨張差により起こされる機械的応力に耐えるために破壊時に高い伸びを持たなければならない。従って、この伸びは、結合される材料の線熱膨張係数差と適合するだろう。それは一般的に、０〜１００℃の温度範囲に対して、０．０１×１０^−６／℃〜１０００×１０^−６／℃であり、好ましくは０．１×１０^−６／℃〜１００×１０^−６／℃、より好ましくは５×^−６／℃〜５０×１０^−６／℃である。

前記中間層６はさらに、広い温度範囲にわたって非常に実質的に化学不活性でなければならず、それが連続的に使用されることができる最大温度は、おそらく８０℃ほどである。

好ましい実施態様によれば、中間層は、裂ける前に非常に実質的な歪みに耐えることができる「弾性」特性（例えばエラストマー）または「粘弾性」特性を持つポリマー層６である。

選ばれた中間層６は、必ずしも商業的に入手可能な、使用準備のできた材料である必要はなく、それは、前述の要求に合致するためにその場で化学的に合成されることができる。

より詳細には、これらの機械的基準に合致するポリマーの範囲のうち、一般的でない結合材料、即ちポリビニルブチラールの層６、本質的に透明であるために風防ガラスまたは防弾ガラスを製造するために一般的に使用されるポリマーを使用することが考えられる。このようにポリビニルブチラールを使用することは、ここではその光学的性質が絶対的に重要ではなく、かつ加えてそれがガラス板を結合するためではなく（そこでは熱膨張係数差は明らかに問題ではない）、金属と誘電体を結合するために使用されるので少し不合理である。驚くべきことに、試験結果は、ポリビニルブチラールがプラズマ反応器で遭遇する温度範囲と完全に適合しないことを除いて、確定的である。プラズマは少なくとも２００℃の温度に容易に達することができ、典型的には２００℃〜６００℃の温度に達することは注目されるだろう。従って、結合層６の温度増加を制限する特別な技術を開発することが必要であった。

平坦表面２が一部である電極本体は、中空であり、かつ閉鎖されたエンベロープ８を形成し、その中を冷却剤１０が流れ、従って第一熱交換器２，８を形成する。この冷却剤は入口導管１２を介して電極１に入り、出口導管１４を介してそこから出る。エンベロープ８は、バッフル１６のような、冷却剤１０との熱交換を促進する手段を備えている。しかし、電極１の全領域を横切ってから約３０Ｗ／ｃｍ^２を消散するために高い流速が要求されるので、冷却剤１０の流れは妨げられるべきではない。

ポリビニルブチラール層６の厚さ（図では拡大されている）は、二つの結合された表面間の膨張係数差による歪みに容易に耐えることができるようなものであるように計算される。さらに、中間層は厚すぎてはいけない。そうでなければ冷却回路への熱の移動及びプラズマへの電気エネルギーの移動は遅くなるだろう。良好な妥協は、約０．７ｍｍの厚さで得られる。

結合層６内の気泡の不存在を確実にするために特別な技術が開発されなければならなかった。特に、もし泡が存在したら、泡がこの全く同じ結合層内に破損を導くという危険がある。従って、装置は次の方法で実行される：ポリビニルブチラールシートを電極の平坦部分の外側に置き、前記平坦部分を誘電体シートで覆った後に、電極を封止室内に置き、ポリビニルブチラールシートを柔らかくなるまで加熱する。この室は次いで、ＰＶＢ膜の脱ガスを促進するためにポンプで吸引される。従って、非常に小さい閉じ込められた気泡は粘稠なポリマーを通して外部に向けて移動し、そこでそれらは完全に消えてしまうまで除去される。この室は次いで、初期応力を付与しかつ組み立てられた要素を密着させるために加圧され、それらの要素は最後に冷却される。

上述のように、プラズマにより電極に伝達された熱をできるだけ迅速に消散するためには理由がある。即ち、電極が単一片から作られるには理由がある。しかし、活性側２が熱交換器（２，８）として作用する密封されたエンベロープ８に結合されている実施態様は除外されない。

電極１が組み立てられたとき、それはプラズマ発生ツール中に組み込まれることがなお必要であり、そこではそれは非常に高い電圧に上昇されるだろう。不均一な電圧分布を防ぐために、電極は、電極の種々の領域を平行に置く「マルチポイント」連結１８を介して供給される。さらに、ＰＶＢが使用されているために冷却は必須であるので、熱伝達流体は非常に高い電圧、典型的には４００００ボルトの下で流さなければならない。これは通常、接地から隔離された熱交換器をツール中に一体化することを含み、それにより熱交換回路をより複雑にかつ嵩高にし、事故の危険を増加する。従って、より簡単でかつ潜在的に危険性の少ないシステムを開発しようと努めた。電極を完全に隔離するよりむしろ、高い抵抗が電極と接地の間に置かれ、従ってそれからもたらされる漏れ電流は無視できる。従って、一連の物理的利点を持つ不合理な熱伝達流体（純水）を使用することができる。特に低無機物含有量を持つ水は非常に劣った伝導体である。この水は、電極にパイプ輸送され、かつ本質的に絶縁ポリマーから作られた二つの長い導管２０及び２２を介して電極から出る。

必要な抵抗は、式Ｒ＝ρ・ｌ／ｓを使用して計算され、式中、
ρ＝１０^９Ωｍ（蒸留水の固有抵抗）；
ｌ（ｍ）＝各導管の長さ；及び
ｓ（ｍ^２）各導管の断面積；
である。

従って、漏れ電流を許容値に制限する適切な抵抗は、導管２０及び２２が十分に長くかつ十分な断面積を持つことを確実にすることにより得られる。

これらの導管の設置面積の問題は、図２及び３に概略的に示されたようにそれらをドラム２４の周りに巻くことにより解決される。

二つの導管２０と２２の間の、それら自身の巻きまたはそれらのそれぞれの巻き間の短絡を防ぐために、二つの導管２０と２２は、それらの間のゼロに近いΔＶを得るために同一の長さを有し、かつ並んで巻かれる。さらに、二つの連続巻き２６間のΔＶは大きく減少される。従って、二つの導管の端部に到達したとき、それらは、一般的な熱交換器により形成された接地面に危険なしに連結されることができ、それらの熱交換器に対する潜在的な差はこの点でゼロに近い。

図４は、ＤＢＤツールに取り付けられた電極の概略を示す。

電極１は、処理される基板２７に面して置かれる。二次冷却回路３４の入口１２及び出口１４の導管は、巻き取りドラム２４を出ると、接地され（無視可能な漏れ電流を起こすため）、かつ第二熱交換器２８に連結される。一次冷却回路３２及びこの熱交換器２８は冷却機群３０に連結され、この熱交換器２８の二次冷却回路３４は、ドラム２４を介して電極１に連結されている。

電極１自体は、高電圧（かつ高周波）回路の端子の一つに連結され、他の端子は、接地された対抗電極３６に連結されている。

本発明は、上に例示されかつ述べられた例に限定されないことは当業者には明らかであるだろう。本発明は、各新規な特徴及びそれらの組み合わせを含む。参照番号は非限定的であると考えられるべきである。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」は、述べられた要素以外の追加の要素の存在を決して除外しないと理解される。要素を導入するために不定冠詞（「ａ」）の使用は、複数のこれらの要素の存在を除外しない。本発明は、特別な実施態様に関して述べられたが、それらは純粋に例示であり、限定として考えてはいけない。

Claims (12)

1. 表面のＤＢＤプラズマ処理のための平坦電極（１）であって、前記平坦電極（１）が、高電圧が印加され、かつ金属エンベロープ（８）を含み、前記金属エンベロープ（８）が、処理される表面（２７）に対して平行に置かれることができる活性部分（２）を含み、前記活性部分（２）が誘電体シート（４）により外側を覆われているものにおいて、誘電体シート（４）がポリマー中間層（６）により活性部分（２）に固定されること、及びポリマー中間層（６）が、０〜１００℃の温度範囲に対して０．０１×１０ ^−６ ／℃〜１０００×１０ ^−６ ／℃の線熱膨張係数差に適合する破壊時の伸びを持つことを特徴とする電極。
2. 活性部分（２）の内部側が、金属エンベロープ（８）と熱交換器を形成することを特徴とする請求項１に記載の電極。
3. 熱交換器が、熱伝達流体（１０）が流れる冷却回路（３４）に連結されるように設計されていることを特徴とする請求項２に記載の電極。
4. ポリマー中間層（６）が、その場での化学反応により製造されたポリマー、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、ＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル）、及びＰＶＢ（ポリビニルブチラール）の群から選ばれた材料から作られることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電極。
5. ポリマー中間層（６）がＰＶＢ（ポリビニルブチラール）から作られることを特徴とする請求項４に記載の電極。
6. 熱伝達流体が、水であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の電極。
7. 金属エンベロープ（８）が、１〜８０ｍ／（Ωｍｍ^２）の電気伝導率と５０〜４００Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率の両方を持つ金属から作られることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の電極。
8. 金属が銅であることを特徴とする請求項７に記載の電極。
9. 表面のＤＢＤプラズマ処理のための平坦電極（１）を含む装置であって、前記平坦電極が、少なくとも一つの冷却回路（３４）に連結され、かつ高電圧が印加され、前記平坦電極（１）が金属エンベロープ（８）を含み、前記金属エンベロープ（８）が、処理される表面（２７）に対して平行に置かれることができる活性部分（２）を含み、前記活性部分（２）が誘電体シート（４）により外側を覆われているものにおいて、誘電体シート（４）がポリマー中間層（６）により活性部分（２）に固定され、活性部分（２）の内部側が金属エンベロープ（８）と熱交換器を形成し、熱交換器が、熱伝達流体（１０）が流れる少なくとも一つの冷却回路（３４）に連結されていること、及びポリマー中間層（６）が、０〜１００℃の温度範囲に対して０．０１×１０ ^−６ ／℃〜１０００×１０ ^−６ ／℃の線熱膨張係数差に適合する破壊時の伸びを持つことを特徴とする装置。
10. 電極が、二つの冷却回路、即ち第一熱交換器（２，８）を備えた一次冷却回路（３２）と第二熱交換器（２８）を備えた二次冷却回路（３４）、に連結され、第二熱交換器（２８）が、低電気伝導率を持つ材料から作られた導管（２０，２２）を介して一次冷却回路（３２）を二次冷却回路（３４）に連結し、これらの導管（２０，２２）の長さと断面が、これらの導管（２０，２２）の絶縁抵抗が第二熱交換器（２８）を接地することにより漏れ電流が許容値以下となるほど十分な高さであるようなものであるように計算されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 二次冷却回路（３４）の供給（２０）及び戻り（２２）導管が、ドラム（２４）の周りに巻かれていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 二次冷却回路（３４）の供給（２０）及び戻り（２２）導管が、ドラム（２４）上に並んで置かれていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。

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